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Intonaci termo-isolanti rinforzati con fibre di vetro

Nel presente lavoro sono riportati i risultati di un’attività di ricerca avente per oggetto la valutazione delle prestazioni termiche ed energetiche di nuove malte termoisolanti fibro-rinforzate applicabili nel consolidamento di strutture in muratura portante. Le malte oggetto di studio presentano un buon comportamento sia meccanico sia termico e sono state integrate con una rete in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) per incrementare la resistenza a taglio. Gli intonaci così realizzati sono stati investigati dal punto di vista delle proprietà termiche, mediante l’uso di un apparato di misura denominato Small Hot Box, realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Perugia, che ha permesso di misurare la conducibilitàtermica dei campioni.

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La Termotecnica ottobre 2016

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica Energia & Edifici LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2016 43 INTRODUZIONE
La riduzione delle emissioni di gas serra nell''atmosfera e la dipendenza
dai combustibili fossili rappresentano una delle tematiche principali
sulle quali si sta concentrando l''attenzione della comunità internazio-
nale. Uno dei settori più energivori (circa il 40% dei consumi totali) sul
quale intervenire è sicuramente quello edilizio, a causa delle scarse
prestazioni sia dell''involucro edilizio sia del sistema impiantistico. Di-
versi studi hanno evidenziato che solo in Italia quasi il 90% degli edifici
sono stati edificati prima del 1991, quindi prima dell''entrata in vigore
delle principali normative sul contenimento dei consumi energetici;
pertanto la riqualificazione energetica o la ristrutturazione di questi
edifici rappresenta un importante obiettivo da conseguire in ottica delle
nuove direttive Europee [1].
In questa ampia parte del patrimonio edilizio italiano rientrano molti
edifici storici, caratterizzati da una struttura in muratura portante,
i quali, oltre a necessitare di azioni per il contenimento energetico,
richiedono interventi mirati a ridurne la vulnerabilità sismica, a causa
della scarse qualità murarie. La resistenza meccanica delle murature
può essere incrementata attraverso trattamenti superficiali, iniezioni di
boiacche di malte o mediante rinforzi esterni con incollaggio, tramite
resine organiche di fibre resistenti alla trazione; più di recente sono
stati proposti nuovi metodi di rinforzo nei quali i compositi applicati
alla muratura sono rinforzati con fibre a matrice inorganica (FRCM),
che assicurano una compatibilità molto elevata con le murature sto-
riche. Da tempo, presso il Dipartimento di Ingegneria dell''Università
degli Studi di Perugia, è in atto un''attività di collaborazione di ricerca
tra le Aree Fisica Tecnica e Scienza delle Costruzioni, nell''ambito
della quale sono indagate congiuntamente le proprietà di isolamento
termico e di resistenza meccanica di intonaci fibro-rinforzati a matrice
vetrosa [2, 3]. In particolare la tecnica del rinforzo è stata applicata a
malte caratterizzate non solo da buone prestazioni meccaniche, ma
anche termiche; grazie ad esse si potrebbe intervenire su edifici storici incrementando sia la resistenza a taglio sia le prestazioni termiche
dell''involucro edilizio, con un notevole risparmio economico in quanto
con un unico intervento si andrebbero a migliorare due aspetti di con-
siderevole importanza dell''edificio stesso.
A tale scopo, sono state selezionate quattro tipologie di malte, che
presentano buone caratteristiche meccaniche e termiche, le quali sono
state integrate con una rete GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) per
incrementarne la resistenza a taglio.
Le prime indagini sperimentali, effettuate dal gruppo di Scienza delle
Costruzioni, hanno riguardato l''aspetto meccanico e hanno permesso
di individuare lo spessore minimo da applicare alle murature al fine di
avere una buona resistenza; i risultati hanno mostrato che è necessario
applicare questi intonaci armati su entrambe le superfici della muratu-
ra, con uno spessore di almeno 5 cm per lato. Su queste basi, sono stati
realizzati dei campioni, che sono stati investigati per valutare il loro
comportamento termo-energetico; in questo lavoro, si discuteranno
solo i risultati derivanti all''analisi termica ed energetica comparativa
condotta sui quattro campioni selezionati [2, 3]. CAMPAGNA SPERIMENTALE: MISURE TERMICHE
I campioni oggetto di indagine sono costituiti da un supporto in car-
tongesso di 13 mm di spessore e uno strato di malta di circa 40 mm
(Tab.1). Il solo supporto in cartongesso è stato anche testato senza
l''applicazione del rivestimento e presenta un valore di conducibilità
complessiva di 0.19 W/(mK): questo contributo è stato, poi, scorpora-
to dalle prove al fine di determinare la conducibilità delle sole malte.
La prima tipologia di malta (denominata D) è di tipo alleggerito con
argilla, sughero e gesso naturale. Le tipologie R-GFRP e N-GFRP sono
prodotte dalla medesima azienda, ma nella composizione cambiano
le percentuali di calcare, gesso ed inerti inserite. Infine la tipologia C-
GFRP è costituita da malta con cemento, inerti e altri additivi con elevata
resistenza meccanica ed è prodotta da un''altra azienda. di C. Buratti, E. Belloni, E. Moretti, D. Palladino, M. Vergoni, L. Lunghi Intonaci termo-isolanti rinforzati con fibre di vetro
Proprietà di isolamento termico e stima del risparmio energetico Esistono diverse tecniche di rinforzo applicabili alle strutture murarie, la maggior parte delle quali si focalizzano esclusivamente sull''aspetto strutturale.
Negli ultimi anni, tuttavia, le prestazioni energetiche degli edifici hanno assunto un ruolo di primo piano sia nelle costruzioni sia nelle ristrutturazioni
edilizie. In questo lavoro si riporta uno studio effettuato su intonaci innovativi fibro-rinforzati dotati di proprietà di isolamento termico e al contempo
di elevata resistenza strutturale, da impiegarsi principalmente negli interventi di recupero edilizio. INNOVATIVE REINFORCED COATINGS: THERMAL INSULATION PROPERTY AND ENERGY SAVING EVALUATION
Several reinforcement techniques are applied to building structures, most of which allow to increase only the mechanical resistance. Nowadays, the
energy performance of buildings are an important factor to be evaluated both for new buildings and for the refurbished ones. In this paper the thermal
and energy results of innovative fiber-reinforced plasters are shown, characterized by good thermal insulation properties and high structural strength;
therefore they can be mainly used for the refurbishment of historical buildings. Cinzia Buratti, Elisa Belloni, Elisa Moretti, Domenico Palladino, Marco Vergoni, Leandro Lunghi
Università degli Studi di Perugia - Dipartimento di Ingegneria Tecnica Energia & Edifici 44 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2016 Tutti i campioni presentano una griglia in fibra di vetroresina annegata
al loro interno, caratterizzata da maglie quadrate con dimensioni di 60
x 60 mm inserite nella matrice a circa 20 mm dalla superficie esterna
dell''intonaco (Figura 1). La descrizione dei rivestimenti e lo spessore
totale sono riportati in tabella 1.
I campioni sono stati testati all''interno di una strumentazione di misura
costruita presso i Laboratori del Dipartimento di Ingegneria dell''Uni-
versità di Perugia; questa apparecchiatura, chiamata Small Hot Box,
consente di misurare la conducibilità termica di materiali da costruzione
omogenei (Figura 1) [3]. Compatibilmente con le ridotte dimensioni
dell''apparato di misura, è stato possibile realizzare piccoli campioni
degli intonaci armati sopra descritti, di dimensioni esterne 300 ' 300
mm, per una superficie totale di 0.09 m2 ciascuno.
La Smal Hot Box è composta da una scatola (dimensioni esterne
0.94 x 0.94 x 0.50 m) che si comporta come una camera calda, le
cui pareti esterne sono realizzate con un materiale isolante di elevato
spessore, al fine di minimizzare il flusso di calore attraverso le pareti
stesse. La seconda parte del sistema sperimentale è il lato di chiusura
della scatola: si tratta di una struttura a strati, costituita da due pannelli di legno con un layer intermedio di poliuretano espanso. Nella parte
centrale è presente un''apertura per il posizionamento del campione,
di dimensioni 0.30 x 0.30 m. Il lato freddo del sistema è l''ambiente del
laboratorio, non dotato di pareti esterne e mantenuto a temperatura
costante grazie all''impianto di condizionamento dell''edificio.
Le prove sono effettuate attraverso il metodo del termoflussimetro: un
misuratore di flusso termico (q) è installato nella parte centrale del
campione, al fine di valutare il flusso di calore attraverso il pannello;
contemporaneamente 8 termoresistenze installate sulla superficie del
campione (quattro sul lato caldo e quattro sul lato freddo) permettono
la misura della temperatura superficiale (Ts). Il valore della conducibilità
termica è determinato sulla base della seguente relazione: Numerose misure di calibrazione preliminari hanno mostrato che
l''errore del dispositivo è dell''ordine del 4-6%.
Con l''apparecchiatura descritta è stata misurata la conducibilità termi-
ca dei quattro campioni realizzati con le quattro malte termo-isolanti
precedentemente descritte.
I valori della conducibilità termica ottenuti dalle prove effettuate sono
riportati in tabella 2 unitamente alle proprietà meccaniche di resistenza
a trazione e taglio [2, 3]. Si può osservare che la conducibilità termica
dei campioni con GFRP varia tra 0.089 e 0.210 W/mK. La tipologia
di malta dotata delle migliori proprietà di isolamento termico sembra
essere la N-GFRP (0.089 W/mK) di composizione simile alle R-GFRP,
ma ulteriormente migliorata dall''azienda produttrice rendendola più
leggera. La tipologia C-GFRP, che presenta le migliori caratteristiche
meccaniche, è quella dotata del più alto valore della conducibilità
termica (0.210 W/mK). Inoltre, mediante prove effettuate anche sugli
stessi campioni non dotati di fibre di rinforzo, è stato riscontrato che
l''inserimento delle fibre comporta una riduzione della conducibilità
termica del 10-15%, probabilmente imputabile all''aria incorporata
nel sistema composito. SIMULAZIONI ENERGETICHE
Sulla base dei risultati di conducibilità termica ottenuti nella campagna
sperimentale è stata condotta un''analisi comparativa per valutare i
benefici energetici derivanti dall''impiego di questi intonaci; in partico-
lare, poiché questi materiali sono applicati sulle pareti in muratura, si
è valutata la riduzione delle dispersioni termiche conseguibili grazie
all''applicazione degli intonaci innovativi.
Per l''analisi comparativa è stato scelto un edificio storico caratterizzato
da una muratura portante di spessore pari a 0.42 m, con 0.01 m di
intonaco per lato, per un valore di trasmittanza termica pari a 1.574
W/m2K. L''edificio è caratterizzato da una pianta rettangolare di circa FIGURA 1 - Apparecchiatura di misura Small Hot-Box
e campioni testati
TABELLA 1 - Descrizione
dei campioni
(1) Tecnica Energia & Edifici LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2016 45 24 x 12 m e si sviluppa su 4 livelli, per un''altezza complessiva di circa
12 m (figura 2).
Nel caso di intervento di consolidamento della muratura portante,
l''applicazione degli intonaci innovativi prevederebbe la rimozione
dell''intonaco esistente e la stesura di 5 cm di malta termo-isolante
fibro-rinforzata su entrambe le superfici della muratura. Per l''analisi
energetica comparativa è stato impiegato il software di simulazione
dinamica TRNSYS, nel quale sono stati impostati le caratteristiche
termiche dell''involucro edilizio del caso di studio esaminato e i carichi
termici interni di progetto conformi sia alla destinazione d''uso (uffici)
sia alle normative vigenti [4-9].
Per una valutazione più completa, le simulazioni sono state effettuate
in tre zone climatiche italiane diverse; in particolare sono state sele-
zionate le zone C, D ed E. Per ciascuna zona climatica è stata scelta
una città rappresentativa (Napoli, Roma e Milano). Anche il periodo di
riscaldamento e quello di uso dell''edificio (dalle 8:00 alle 19.00) sono
stati scelti in conformità con la normativa vigente e con la destinazione
d''uso dell''edificio.
I risultati delle simulazioni dinamiche effettuate sono riportati in figura
3, che mostra le differenze, in percentuale, tra la trasmittanza termica
della parete esterna con e senza l''applicazione delle nuove malte e la
riduzione in percentuale delle dispersioni termiche attraverso la compo-
nente opaca dell''involucro edilizio. Le riduzioni sono state calcolate a
partire dal valore di trasmittanza e di dispersione calcolato o simulato
nella situazione esistente, nella quale si ha una muratura portante senza
intonaco armato.
Dalla figura 3 si osserva che l''applicazione di 10 cm di intonaci
termo-siolanti fibro-rinforzati (5 cm per lato) permette di ottenere una
riduzione della trasmittanza termica anche dell''ordine del 60%, ad
eccezione del campione C-GFRB che però, come precedentemente
detto, presenta un miglior comportamento meccanico rispetto alle altre
malte. In termini di riduzione delle dispersioni di calore attraverso le pareti opache esterne si osserva una variazione significativa con la
zona climatica considerata. Per la zona climatica più calda (zona C),
la massima riduzione è di poco superiore al 30%, mentre nella zona
climatica più fredda (zona E) si ottengono riduzioni molto più signifi-
cative, fino al 70%. Solo per l''ultima malta si sono ottenuti valori più
contenuti e dell''ordine del 30-50% (rispettivamente per la zona C e E).
In accordo con i risultati si può quindi confermare che le malte studiate
possono essere una valida alternativa alle tradizionali tecniche di
consolidamento murario, permettendo, in aggiunta, anche una signifi-
cativa riduzione delle dispersioni termiche dovute all''involucro edilizio. CONCLUSIONI
Nel presente lavoro sono riportati i risultati di un''attività di ricerca
avente per oggetto la valutazione delle prestazioni termiche ed ener-
getiche di nuove malte termoisolanti fibro-rinforzate applicabili nel
consolidamento di strutture in muratura portante. Le malte oggetto di
studio presentano un buon comportamento sia meccanico sia termico
e sono state integrate con una rete in GFRP (Glass Fiber Reinforced
Polymer) per incrementare la resistenza a taglio. Gli intonaci così
realizzati sono stati investigati dal punto di vista delle proprietà termi-
che, mediante l''uso di un apparato di misura denominato Small Hot
Box, realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria dell''Università
degli Studi di Perugia, che ha permesso di misurare la conducibilità
termica dei campioni.
I risultati sperimentali mostrano che i valori di conducibilità ottenuti
sono nettamente inferiori a quelli di un tradizionale intonaco armato e,
pertanto, è ipotizzabile adottare questi intonaci per il consolidamento
di edifici in muratura, ottenendo non solo un incremento della resisten-
za meccanica, ma anche una importante riduzione della trasmittanza
termica della parete opaca. Si è inoltre riscontrato che l''inserimento
della rete GFRP consente un''ulteriore riduzione della conducibilità
termica rispetto al caso di assenza di rete, dell''ordine del 10-15%.
Infine è stata effettuata un''analisi comparativa delle diverse malte in
termini di riduzione delle dispersioni attraverso le pareti opache di un
edificio scelto come caso studio. L''analisi ha permesso di evidenziare
che l''applicazione di 5 cm di intonaco su entrambe le facce della
muratura permette una riduzione del 60% della trasmittanza termica,
con una conseguente riduzione delle dispersioni termiche attraverso
l''involucro opaco di circa il 30% nelle zone climatiche più calde fino
a circa il 70% nelle zone più fredde.
I risultati ottenuti mostrano che gli intonaci innovativi possano essere
una valida alternativa agli intonaci tradizionali impiegati per il conso-
lidamento delle murature portanti, permettendo anche un''importante
riduzione delle dispersioni termiche attraverso l''involucro edilizio con
conseguente risparmio energetico; esse tuttavia presentano spessori
piuttosto elevati, derivanti da esigenze di natura strutturale, che non
sempre ne consentono l''applicazione. FIGURA 2 - Modello dell''edificio storico implementato
per la simulazione energetica comparativa
TABELLA 2 - Resistenza
meccanica e conducibilità
termica misurata per i
diversi campioni esaminati
Tecnica Energia & Edifici 46 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2016 ELENCO DEI SIMBOLI
C malta con cemento, inerti e altri additivi con elevata resistenza termica D malta con argilla, sughero e gesso naturale GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer N malta con gesso, calcare naturale di sabbia, inerti - composizione B PL lastra di cartongesso q flusso termico [W/mK] R malta con gesso, calcare naturale di sabbia, inerti - composizione A s spessore [mm] T temperatura [°C] l conducibilità termica [W/mK] pedici
a aria
s superficiale BIBLIOGRAFIA
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means of a new ''small hot-box'' apparatus: innovative insulating reinfor-
ced coatings analysis. Journal of Building Engineering, Vol. 7 (2016),
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2006. 7. D.M. 26 Giugno 2015 . Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei
requisiti minimi degli edifici; 2015. 8. UNI TS 11300-1. Determination of thermal energy demand of the building for air conditioning in summer and winter; 2014. 9. UNI TS 11300-2. Determination of the primary energy demand and yields for winter heating and the production of domestic hot water;
2014. FIGURA 3 - Riduzione percentuale di trasmittanza termica e di dispersioni attraverso l''involucro edilizio ottenibile
con l''applicazione degli intonaci termo-isolanti fibro-rinforzati


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