Facciate in vetro-alluminio innovative sostenibili e sicure: il progetto INCASS

Il presente lavoro illustra un innovativo sistema di facciata “a cellula” prototipato nell’ambito del progetto INCASS - sIstema iNnovativo di anCoraggio meccanico per fAcciate continue Sostenibili e Sicure.

Il progetto, sviluppato nell’ambito del POR FERS CAMPANIA 2014-2020, nasce come risposta alle principali esigenze di innovazione individuate nel settore delle facciate continue, legate essenzialmente alla crescente domanda di sostenibilità e sicurezza della componentistica edilizia.

La Facciata INCASS è stata progettata con lo scopo di aumentare la sostenibilità del prodotto, grazie all’introduzione di un innovativo sistema di fissaggio ad espansione geometrica non passante che si inserisce in testa al processo di trasformazione del vetro.

Tale sistema è in grado di assicurare la scomponibilità della cellula, la eliminazione parziale dei sigillanti, e la eliminazione del trasporto della cella assemblatore-vetreria-assemblatore, garantendo un minor impatto ambientale nel ciclo di vita del prodotto. 

Più nel dettaglio il presente lavora illustra i risultati degli studi di Life Cycle Assessment volti a validare la sostenibilità del prodotto, i risultati delle prove dinamiche effettuate per testare l’efficacia del sistema prototipato, e la correlazione numerico-sperimentale ottenuta mediante l’utilizzo di modelli agli elementi finiti.

 

Le facciate continue, oggi

Il panorama urbano contemporaneo, profondamente mutato dagli anni ’90 ad oggi, è sempre più frequentemente caratterizzato da elementi architettonici in cui le facciate continue assumono un ruolo rilevante. In tale contesto, infatti, esse svolgono un ruolo chiave non solo a livello architettonico, come elemento di collegamento tra l’esterno e l’interno, ma configurandosi sempre più spesso come strumento che enfatizza ed interpreta un mutamento economico-sociale che ha sete di innovazione e tecnologia.

Da qui quindi il ruolo chiave delle facciate continue in termini di prestazioni energetiche, di comfort e sicurezza e quindi legato ai principali processi di “smart buildings”, come recupero del calore, fotovoltaica, veicolo di comunicazione. In un contesto in cui tali processi hanno inondato il mercato di innovazioni orientate al più performante efficientamento energetico dell’edificio, è passato in sordina la sostenibilità del prodotto in sé, la facciata, la sua riciclabilità, il suo impatto ambientale e la sua sicurezza nei confronti di sollecitazioni estreme.

Esistono in commercio svariate tipologie di facciate continue che, sulla base dell'assemblaggio dei vari elementi che le costituiscono e del tipo di collegamento alla struttura portante dell'edificio, possono essere classificate in

  • facciata a montanti e traversi,
  • facciata strutturale,
  • facciata a fissaggio puntuale
  • e facciata a cellule prefabbricate.

La facciata “a cellula” prefabbricata

Nel caso in esame ci si è occupati della facciata “a cellula” prefabbricata, maggiormente utilizzate. Questa tipologia è costituita da un pacchetto indipendente di profili estrusi in alluminio e tamponamenti vetrati che vengono preventivamente realizzati in fabbrica e successivamente ancorati in cantiere alla struttura portante dell'edificio utilizzando dei sistemi di staffe.

Il vantaggio principale di tale tipologia è connesso all’ottimizzazione dei tempi di messa in opera, in quanto la posa delle cellule parte dalla base dell’edificio e prosegue seguendo l’avanzamento dei lavori in elevazione delle strutture portanti verticali e orizzontali o in alternativa può immediatamente avere inizio al termine dei lavori.

Il principale svantaggio, invece è legato alla necessità di ampi spazi stoccaggio e alla loro movimentazione in cantiere, soprattutto quando le cellule siano caratterizzate da medie o grandi dimensioni. Particolari precauzioni nel trasporto dal sito di produzione a quello di installazione sono inoltre necessarie, così come particolare attenzione va dedicata allo stoccaggio in cantiere in modo da garantire le condizioni igrometriche consigliate dal produttore. Infine urti accidentali e manovre di sollevamento scorrette potrebbero compromettere il rispetto delle tolleranze dimensionali stabilite, causare l’insorgere di fessurazioni locali o rotture delle lastre vetrate cosi come il danneggiamento delle guarnizioni di tenuta.

Il progetto INCASS prevede la realizzazione di un nuovo prototipo di facciata strutturale in vetro‐alluminio di tipo a “cellula” in grado di intercettare la crescente domanda di sostenibilità e sicurezza per la componentistica edilizia.

 

Il progetto INCASS

Il progetto di INCASS [1] è stato presentato sull’avviso pubblico per il sostegno alle imprese campane nella realizzazione di studi di fattibilità (Fase 1) e progetti di trasferimento tecnologico (Fase 2) coerenti con la RIS3, nell’ambito della programmazione regionale POR FESR CAMPANIA 2014-2020.

L’obiettivo principale del progetto è stato quello di realizzare un prototipo di facciata strutturale in vetro-alluminio di tipo a cellula prefabbricata, sostenibile e sismicamente sicura, grazie all’introduzione di un innovativo ed ecosostenibile sistema di fissaggio meccanico ad espansione geometrica non passante tra vetro e telaio in alluminio.

La soluzione tecnologica sviluppata parte dall’inserimento di un nuovo sistema di fissaggio meccanico in testa al processo di trasformazione del vetro, dove mediante l’utilizzo di macchine a controllo numerico è possibile eseguire gli appositi fori per alloggiare lo speciale sistema di fissaggio, che consente di fissare il vetro all’infisso in alluminio mediante una semplice operazione di serraggio in stabilimento o direttamente in cantiere. 

L’impresa proponente del progetto è La Tecnica nel Vetro spa, che opera dal 1999 nel settore della trasformazione del vetro piano. Il partenariato di progetto è costituito dalle imprese TEKLA srl, con esperienza trentennale nella progettazione e realizzazione di infissi, e TECNOSISTEM spa, che opera nei settori dell’ingegneria per la progettazione, la direzione lavori e la consulenza aziendale, e dal Distretto ad Alta Tecnologie STRESS scarl, società consortile senza fini di lucro, nata con l’obiettivo di promuovere l’innovazione quale elemento qualificante della filiera delle costruzioni, che ha coinvolto nel progetto il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università degli Studi di Napoli Federico II.

 

Progettazione dei componenti della facciata INCASS

Le fasi di progettazione del nuovo prototipo hanno interessato i diversi componenti che costituiscono la cellula, ovvero una nuova configurazione dei profili in alluminio, la scelta di un idonea vetrocamera, delle loro relative guarnizioni e del sistema di fissaggio tra profili e vetro.

Il progetto ha visto l’introduzione di un sistema di fissaggio meccanico ad espansione geometrica del tipo Fischer FZP-G-Z, Figura 1 e Figura 2, attualmente impiegato principalmente per le facciate a doppia pelle, il cui utilizzo è stato testato in questo caso per una struttura con vetrate isolanti strutturali e che sostituisce completamente l’utilizzo di sigillanti strutturali per il fissaggio della lastra di vetro al telaio in alluminio, richiedendo una semplice operazione di serraggio.
 

Facciate in vetro-alluminio innovative sostenibili e sicure

Figura 1 – Tassello Fischer FZP-G-Z (sx); fasi di installazione del tassello (dx)


L’elemento Fischer FZP-G-Z è un tassello di fissaggio realizzato in acciaio inossidabile, il cui utilizzo offre molteplici vantaggi da un punto di vista estetico, strutturale e di sostenibilità.

Esteticamente

Infatti il suo utilizzo migliora esteticamente la facciata grazie alle dimensioni poco invasive, alla possibilità di essere installato nel retro della lastra fino a 50 mm dal bordo del pannello e al suo effetto a scomparsa rispetto alla struttura vera e propria. 

 

Dettagli installazione tassello Fischer FZP-G-Z

 

Figura 2 – Dettagli installazione tassello Fischer FZP-G-Z

Strutturalmente

Da un punto di vista strutturale, la soluzione proposta ha il vantaggio di non indurre tensioni sul vetro garantendo una tenuta per carichi fino a quattro volte superiori rispetto ai sistemi tradizionali di aggancio, ottimizzando il comportamento statico della lastra, Figura 3, e riducendo di circa il 50% il momento flettente agente su di essa. Inoltre ha ricevuto l’omologazione tedesca come prodotto da costruzione, rilasciata dal DIBt di Berlino.

Comportamento statico della lastra

Figura 3 – Comportamento statico della lastra: fissaggio tradizionale (sx); fissaggio con tassello FZP-G-Z (dx)

Sostenibilità

Dal punto di vista della sostenibilità, consente di ridurre l’utilizzo di materie prime non riciclabili, garantendo la scomponibilità della cellula e fino al 100% di riutilizzabilità di quest’ultima.

La configurazione “tradizionale” delle facciate a cellula prevede la realizzazione di due telai in alluminio, uno primario ed uno secondario sul quale viene fissata, mediante dei sigillanti strutturali, la vetrata. Il profilo secondario, provvisto di vetrata, viene poi fissato al profilo principale per formare la cellula finita che verrà fissata in cantiere alla struttura portante dell’edificio. A partire da questa configurazione iniziale è stata ipotizzata una nuova conformazione geometrica del telaio secondario in grado di consentire l’inserimento del tassello FZP-G-Z.

La progettazione dei profili in alluminio, conforme alle norme UNI EN 12020 [2], ha risposto anche alle esigenze derivanti dall’introduzione del nuovo sistema di ancoraggio meccanico grazie ad una modifica sostanziale della geometria del profilo e delle relative guarnizioni di tenuta.

La tipologia di vetro selezionato

La scelta del tipo di vetro per la vetrata isolante (vetrocamera) da utilizzare è stata effettuata in conformità alle norme UNI EN 12600 [3] e la norma UNI 7697:2015 [4] e nel rispetto delle tematiche energetiche e prestazionali, le quali forniscono indicazioni dettagliate in merito alla stratigrafia dei vetri da utilizzare in funzione della loro destinazione edilizia e a fattori inerenti alla specifica applicazione (dimensioni, tipologia di manufatto, tipo di montaggio).

Risultano considerati i potenziali rischi connessi alla rottura dei pannelli di vetro e dell’eventuale caduta di frammenti, portando in conto delle sollecitazioni a cui i vetri sono sottoposti, in base alla tipologia di edificio su cui vengono installati e delle attività ivi previste.

La tipologia di vetro selezionata è stata condizionata dall’utilizzo del tassello stesso, considerato un’evoluzione rispetto alle rotules comunemente utilizzate. La vetrata isolante del prototipo è composta da un vetro stratificato interno costituito da due fogli di vetro temperato, laminati mediante sigillante butilico PVB e lavorato per l’inserimento dei tasselli, ed un vetro esterno temperato. Le lastre di vetro sono separate su tutto il perimetro da un profilo distanziatore, denominato canalino, impregnato di un disidratante utilizzato per assorbire l’umidità ambientale contenuta nell’intercapedine al momento della sigillatura finale della vetrata isolante ed eliminare quella minima quantità di umidità che nel tempo tende ad infiltrarsi all’interno della vetrata attraverso il sigillante. Infine, l’intercapedine tra i vetri è riempita utilizzando un gas inerte Argon in percentuale pari al 90% per aumentare le prestazioni energetiche e di isolamento. 

Le guarnizioni tra cellule

La continuità verticale e orizzontale tra le diverse cellule poste in opera è ottenuta mediante l’utilizzo di guarnizioni che garantiscono le performance di permeabilità all’aria e di resistenza statica e dinamica all’acqua, garantendo al contempo eventuali correzioni di posa e la possibilità di consentire movimenti dovuti alle dilatazioni termiche stagionali grazie alla presenza di un gioco di alcuni millimetri.

Per il prototipo di facciata realizzato è stata impiegata una guarnizione EPDM di ultima generazione contenente materiale devulcanizzato (ovvero mescole che contengono al loro interno una percentuale di materiale riciclato), in grado di garantire le caratteristiche necessarie a migliorare il sistema di facciata a cellula.

La progettazione delle guarnizioni risulta innovativa rispetto alle facciate tradizionali sotto diversi aspetti: la geometria, le dimensioni e la sostenibilità dei materiali. In particolare, il primo aspetto ha focalizzato l’attenzione sulla ricerca di geometrie e dimensioni che tenessero conto sia della flessibilità di installazione che della possibilità di impiego con vetrocamere di varie dimensioni e spessori. Oltre a ciò, si è anche tenuto in conto delle performance da garantire in merito all’isolamento termo-acustico degli edifici.

La progettazione delle facciate

Le facciate vengono progettate principalmente per garantire resistenza agli agenti atmosferici, sicurezza d’esercizio, risparmio energetico e ritenzione del calore, secondo quanto indicato dalla normativa UNI 13830:2020 [5].

Per quanto riguarda la sicurezza, le norme tecniche per le costruzioni 2018 [6], conformemente all’Eurocodice 8 [7], forniscono indicazioni riguardanti gli elementi con funzione non strutturale, al fine di valutare gli effetti causati dalle azioni del vento, della neve e della temperatura. Ciò nonostante, non esistono delle prescrizioni in merito alla sicurezza di tali elementi nei confronti delle azioni sismiche, le quali risultano potenzialmente in grado di compromettere l’integrità della facciata con il potenziale rischio che un eventuale collasso dei vetri possano comportare delle perdite economiche e di vite umane.

Infatti durante un evento sismico, per effetto delle azioni orizzontali che investono la struttura, la facciata è chiamata ad assecondare le deformazioni che nascono per effetto di uno spostamento di piano della struttura portante. L’obiettivo principale è quello di evitare che tali deformazioni possono investire la cellula, ed in particolare il vetro, portando ad un probabile scenario di collasso. 

Al fine di valutare in maniera realistica le possibili azioni che potrebbero investire la cellula durante un evento sismico, si è deciso di considerare i risultati di una serie di analisi condotte attraverso l’utilizzo di un modello di un edificio prototipo su cui sono installate le facciate. Il progetto ha preso in considerazione un edificio di 4 piani, a pianta quadrata di dimensioni 15 m x 15 m con altezza interpiano di 3 m. Pilastri e travi sono in calcestruzzo armato di classe C25/30, ed hanno tutti dimensione 30 cm x 60 cm. Si è ipotizzato un edificio sito a Napoli, con destinazione d’uso di categoria B (uffici) su una superficie pianeggiante, con categoria topografica di riferimento T1. L’edificio, Figura 4 a, è stato modellato inserendo anche la facciata a cellula, e sono state eseguite analisi lineari "SRS-Shock response spectrum" su base modale con spettro di risposta, dove l'azione sismica è modellata attraverso lo spettro di progetto. Un estratto dei risultati, in termini di spostamento ottenuti dalle analisi lineari è mostrato in Figura 4. La deformazione della cellula, e di conseguenza del vetro, appare fortemente condizionata dal drift di interpiano della struttura alla quale essa è collegata. 

Analisi agli elementi finiti sono state condotte al fine di indagare il comportamento strutturale della facciata a seguito dell’introduzione dell’innovativo tassello ad espansione geometrica. Il modello FEM, in Figura 5, ha previsto la modellazione di tutte le parti strutturali del modulo e delle giunzioni, utilizzando elementi bidimensionali shell e monodimensionali.

I risultati hanno evidenziato che i parametri maggiormente significativi ai fini della comportamento globale della cellula sono: il numero di fissaggi tra il telaio in alluminio e la loro distribuzione spaziale e posizione geometrica. Di contro, la variazione dello spessore e/o del materiale della struttura e del telaio si sono rivelate modifiche non sostanziali.

Modello FEM dell’edificio a 4 piani con facciata a cellula

 

Figura 4 – Modello FEM dell’edificio a 4 piani con facciata a cellula

Modello FEM del prototipo di cellula innovativa

 

Figura 5 – Modello FEM del prototipo di cellula innovativa

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