Facciate ventilate

STATICA DELLE FACCIATE VENTILATE
A. Antonelli, M. Orlando, R.Boccaccini





Le azioni sulle facciate ventilate.

I sistemi di facciata ventilata oggi in commercio sono numerosi, ma sono tutti caratterizzati dalla presenza degli stessi componenti principali; ciò ne rende possibile uno studio organico del comportamento statico, ricorrendo a modellazioni generalizzabili. Partendo dall'esterno incontriamo in tutti i casi un pannello di rivestimento mantenuto ad una distanza variabile dalla parete dell'edificio mediante distanziatori, che stabiliscono) la sezione della camera di ventilazione. Il distanziatore è poi ancorato direttamente all'edificio oppure ad un sistema di fissaggio normalmente realizzato con una struttura di sostegno formata da montanti e traversi. Dal punto di vista strutturale una facciata ventilata è quindi un insieme dei seguenti elementi collegati "in serie": 1. rivestimento esterno, 2. sistema di fissaggio del rivestimento esterno all'edificio o alla sottostruttura metallica, 3. sottostruttura (se presente), 4. ancoraggio della sottostruttura all'edificio. Le facciate ventilate devono essere progettate in modo da garantirne la stabilità non solo nei confronti delle sollecitazioni causate dai pesi propri, ma anche di quelle indotte dalle azioni esterne, e in particolare delle pressioni eoliche. Inoltre accanto alle azioni direttamente applicate alla facciata, occorre considerare le azioni indirette (deformazioni impresse) e quelle di carattere chimico fisico. In effetti i materiali che costituiscono la facciata, rivestimenti in cotto o rivestimenti in gres, determinano la qualità dell'installazione della facciata ventilata. Pertanto generalmente le azioni da considerare nel progetto di una facciata ventilata sono quelle riportate nel seguente prospetto:

Azioni dirette

Azioni indirette

Azioni di carattere chimico-fisico

Peso proprio

Variazioni termiche

Agenti aggressivi

Vento

Cedimenti anelastici

Umidità e gelo

Sisma

Difetti di montaggio, azioni dovuti a errori di manovra

Materiali nocivi


Le azioni dirette.

Il peso proprio

Per quanto riguardo il peso proprio dei componenti di una facciata ventilata, gli elementi di gran lunga più pesanti sono quelli di rivestimento che, nelle tipologie di prodotto più utilizzate, sono in materiale lapideo, in laterizio, in metallo e in vetro. I rivestimenti esterni possono anche essere realizzati in legno, ma in Italia questo materiale trova poche applicazioni. Per quanto riguarda il peso di volume (densità), in mancanza di dati più precisi si può fare riferimento al D.M. Min. LL. PP. 16 Gennaio 1996 "Norme Tecniche Relative ai Criteri Generali per la Verifica di Sicurezza delle Costruzioni e dei Carichi e Sovraccarichi" e alla Circolare Min. LL. PP. 4 Luglio 1996 "Istruzioni per l'applicazione delle norme relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi di cui al DM 16 gennaio 1996", dove sono riportati i pesi per unità di volume dei più comuni materiali da costruzione. Le proprietà meccaniche più importanti, invece, sono determinate attraverso prove di laboratorio. Il peso del rivestimento è applicato nel baricentro della lastra, che naturalmente risulta distaccata dall'edificio e inflette la staffa di supporto. é sempre conveniente ridurre al minimo il momento flettente sulle staffe di supporto con accorgimenti tecnici particolari, ad esempio aumentando lo spessore della sottostruttura metallica in modo da diminuire l'eccentricità e (vedi figura) della forza peso del rivestimento. Particolare attenzione bisogna prestare al coefficiente di imbibizione del materiale, perché materiali molto porosi in presenza d'acqua potrebbero aumentare notevolmente il peso proprio.
Onde evitare il trasferimento del peso delle lastre superiori su quelle sottostanti è essenziale verificare sia la tenuta del tassello di ancoraggio della facciata all'edificio e sia la deformabilità della staffa dì ancoraggio del paramento, oltre naturalmente alla resistenza di entrambi gli elementi. I problemi di tenuta del tassello d'ancoraggio dipendono soprattutto dal tipo di supporto a cui ci si va ad ancorare. Se ad esempio il supporto fosse in cemento armato al momento della applicazione del tassello questo potrebbe interferire con le armature sottostanti e quindi necessitare di una riforatura ed un successivo adattamento; un altro problema può essere causato dall'alloggiamento del tassello in una zona tesa del cemento armato. Per l'ancoraggio su muratura in laterizi forati è preferibile se non obbligatorio ricorrere a tasselli chimici, la cui applicazione richiede il rispetto di precise condizioni al contorno, oltre alla necessità di ricorrere alla verifica con prove di rottura.

Il vento

Lo studio dell'azione del vento è di grande importanza nel progetto di una facciata ventilata. Le strutture per facciate devono rispondere necessariamente all'azione diretta a cui sono sottoposte. L'installazione di facciate continue ventilate è regolata da accorgimenti tecnici rivolti alle strutture.
Quando il vento soffia su un edificio, in modo più o meno ortogonale rispetto ad una delle sue facciate, viene rallentato creando sulla parete interessata una sovrappressione; contemporaneamente viene deviato ed accelerato lungo le facciate laterali e dal tetto dove si generano sacche di vuoto che esercitano sulle superfici sottovento delle depressioni. Quanto maggiore è l'accelerazione del vento su tali superfici, tanto maggiori saranno le depressioni da questa prodotte. In linea di principio la sovrappressione sulle facciate tende ad essere massima nella zona centrale e a diminuire verso i margini. Le depressioni maggiori invece si verificano in corrispondenza degli spigoli e lungo i bordi delle pareti e dei tetti, ed in queste parti il fissaggio degli elementi di rivestimento deve essere realizzato con particolare attenzione.
Il vento, la cui direzione si considera di regola orizzontale, esercita sulle costruzioni azioni che variano nel tempo provocando in generale effetti dinamici. Per gli edifici tali azioni sono convenzionalmente ricondotte ad azioni statiche equivalenti. Nel caso di edifici di grande altezza o lunghezza, il vento può dare luogo ad effetti la cui valutazione richiede l'applicazione di specifici procedimenti analitici, numerici o sperimentali più complessi ed adeguatamente comprovati. Nel caso delle facciate ventilate gli effetti dinamici vanno tenuti in debito conto al fine di verificare la resistenza a fatica del rivestimento, in particolare in corrispondenza dei punti di fissaggio alla sottostruttura o all'edificio.
Le azioni del vento si traducono in compressioni e depressioni agenti perpendicolarmente alle superfici esterne ed interne degli elementi componenti la costruzione. Si considerano positive le compressioni e negative le depressioni. L'azione del vento sul singolo elemento viene determinata considerando la combinazione più gravosa della pressione agente sulla sua superficie. Ai fini di una scelta ponderata del sistema di installazione del sistema di rivestimento della facciata ventilata non si può prescindere da un accurato studio degli effetti della forza cinetica del vento, specialmente laddove particolari condizioni topiche ne consiglino una seria valutazione.
Normalmente viene calcolata una spinta di 120/150 kg/m2 con punte di 300/400 kg/m2 in corrispondenza di spigoli, velette ed altre zone che per loro conformazione architettonica possano essere giudicate esposte a maggior pressione. La determinazione di tali forze non può peraltro prescindere da coefficienti di esposizione, forma e snellezza, nel contesto di una valutazione che tenga conto delle condizioni topiche di collocazione del fabbricato. Nel caso di costruzioni ad elementi di grande dimensione, si deve tener conto anche delle azioni tangenti esercitate dal vento sulle superfici.
Facendo riferimento al D.M. Min. LL. PP. 16 Gennaio 1996 "Norme Tecniche Relative ai Criteri Generali per la Verifica di Sicurezza delle Costruzioni e dei Carichi e Sovraccarichi", e alla Circolare Min. LL.PP. 4 luglio 1996 "Istruzioni per l'applicazione delle norme relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi di cui al DM 16 GENNAIO 1996".

Nel caso di edifici con rapporto h/d maggiore di 5 per la valutazione globale dell'azione del vento sull'edificio l'Eurocodice equipara la costruzione ad un prisma e fornisce i coefficienti di forza, i quali sono indicati con il simbolo cf. Per le verifiche locali continuano comunque a valere i coefficienti cpe 1 forniti dalla tabella sopra riportata.

L'azione del sisma

Generalmente le azioni sismiche non sono applicate nelle verifiche strutturali in quanto, non contemplando le norme internazionali la contemporaneità di queste con quelle del vento ed essendo i rivestimenti normalmente a basso spessore, danno origine a condizioni di carico meno gravose di quelle che prevedono le azioni del vento. I rivestimenti in cotto ed i rivestimenti in gres rispondono alle esigenze di strutture per facciate che possano essere utilizzate in zone sismiche. Tuttavia ogni struttura realizzata in zona sismica può ovviamente essere soggetta ad un carico sismico variabile in funzione dell'entità dell'evento. In fase di progettazione è perciò buona norma tenere conto di questi carichi, ricordando che la loro influenza deve essere valutata nei confronti del fissaggio tra lastre di rivestimento e struttura secondaria e degli ancoraggi tra struttura secondaria e struttura principale dell'edificio.
A livello di analisi del rischio si ritiene accettabile progettare un edificio dotato di pareti ventilate senza particolari attenzioni per la resistenza sismica dei fissaggi, salvo si tratti di edifici di notevole altezza ovvero di edifici adibiti a funzioni di protezione civile o primo soccorso, nel qual caso è necessario limitare il rischio di caduta dì elementi di facciata. Analogamente anche gli ancoraggi tra struttura principale dell'edificio e struttura secondaria detta parete andranno progettati in modo da assicurare resistenza in caso di sisma solamente nei punti critici della struttura, punti il cui indebolimento può provocare la perdita di vite umane. Il punto critico nella progettazione degli ancoraggi è naturalmente la tenuta ai carichi dinamici degli ancoranti, spesso realizzati per mezzo di connettori chimici o meccanici che connettono la struttura secondaria della parete ventilata, in carpenteria metallica, con un sottofondo strutturale, solitamente in cemento armato o altro materiale di tamponamento. In questo caso si procede di norma al pretensionamento dell'ancorante in modo da garantire la compressione sullo strato di sottofondo anche in condizioni dinamiche. Particolari attenzioni andranno poste sull'installazione di ancoranti su sottofondi fessurati, ad esempio in c.a., per i quali non sarà possibile progettare l'ancoraggio contando anche sul pretensionamento. Occorre inoltre verificare la compatibilità della parete ventilata con gli spostamenti relativi massimi orizzontali di interpiano ("drift" di piano), che tra l'altro sono già limitati dal D.M. Min. LL. PP. 16 Gennaio 1996 "Norme Tecniche per le Costruzioni in Zone Sismiche".

Le azioni indirette.

Variazioni termiche

La dilatazione termica lineare degli elementi di rivestimento lapidei presenta valori intermedi tra quelli dei metalli e quelli del legno. Se a questo si aggiunge la loro caratteristica di rigidità (il modulo di elasticità è molto elevato) e la bassa conducibilità termica, vi sono le condizioni che favoriscono la creazione di tensioni interne al materiale che possono risolversi in fessurazioni, scheggiature o distacchi soprattutto in presenza delle sollecitazioni provocate dall''irraggiamento solare, sollecitazioni che sono maggiori se il rivestimento presenta una colorazione scura che ha la caratteristica di assorbire più calore.
La temperatura delle singole unità di rivestimento che siano rigidamente connesse tra loro (ad esempio per mezzo di tasselli fissati con malta in strutture adiacenti) può essere assunta che vari di +/-350 rispetto alla temperatura al momento di istallazione, per tenere conto dello spostamento delle teste dei tasselli. Il coefficiente di dilatazione termica del rivestimento deve essere assunto pari a 0.00001 mm/(mm °C) per il laterizio e il marmo, mentre per i rivestimenti metallici può essere preso un valore medio pari a 0.00002 mm/(mm °C). Ove le piastrelle non siano rigidamente connesse, la forza di attrito risultante dalla componente del peso proprio delta lastra agente sul tassello deve essere presa in considerazione nella progettazione del tassello.
A questo scopo i sistemi di rivestimento in cotto e di rivestimento in gres come anche altri tipi di elementi di facciata come i frangisole per facciate o le facciate continue che impieghino altri tipi di rivestimento, rispondono alle variazioni termiche ambientali.

Azioni provocate dalla variazione igrometrica dell'ambiente

Il coefficiente di imbibizione, che è massimo nei materiali a struttura porosa e minimo in quelli a struttura compatta, determina i valori di assorbimento d'acqua e di umidità da parte del rivestimento. Il fenomeno aumenta sia il peso che il volume delle rocce e se l'acqua rimane a lungo al loro interno sotto forma di umidità ne compromette la resistenza meccanica e chimica. Non esistono materiali di rivestimento completamente impermeabili: sono poco permeabili le rocce compatte (purché non presentino microfessurazioni) come i graniti, ovvero i grès porcellanati.
Una roccia compatta con pori piccoli e umidità al suo interno è sottoposta a tempi più lunghi di evaporazione rispetto ad una roccia molto porosa. Ancora più attenzione occorre porre con i rivestimenti lignei, i quali oltre ad avere un alto coefficiente di imbibizione sono molto sensibili alle variazioni di umidità stagionali. Una possibile soluzione può essere rappresentata dal trattamento superficiale del rivestimento con impermeabilizzanti, per ostacolare l'ingresso dell'acqua.


Materiali di rivestimento.

Le proprietà più importanti da considerare per i materiali da utilizzare per il rivestimento delle facciate sono determinate da prove di laboratorio.
Le strutture per facciate prevedono a monte una progettazione di tutti gli elementi del processo: dall'ideazione, al montaggio fino ad arrivare al rivestimento in cotto o il rivestimento in gres. Le prove di laboratorio assumono vitale importanza per la scelta del materiale.
La resistenza a compressione è una delle caratteristiche più importanti delle rocce ed assume particolare rilievo per i rivestimenti esterni. Essa varia in funzione della composizione mineralogica, della struttura e della tessitura: infatti a parità di composizione mineralogica la struttura microcristallina è più resistente di quella macrocristallina e la tessitura porfirica è più resistente di quella granitica. Le varie tipologie dei materiali lapidei presentano generalmente una resistenza a compressione pari ad un valore dalle 10 alle 30 volte superiore alla resistenza a trazione che è piuttosto scarsa.
La resistenza a flessione detta anche a trazione indiretta è molto bassa e determina la tensione di rottura a trazione causata soprattutto dall'azione dei carichi laterali tra i quali fondamentali sono le spinte prodotte dal vento sia in pressione che in aspirazione. La determinazione di questa caratteristica di resistenza è particolarmente importante per te lastre a spessori sottili che vengono sottoposte a sollecitazioni flessionali e quindi a tensioni interne di trazione sempre più elevate. I rivestimenti di facciata realizzati in laterizio possiedono tutte quelle caratteristiche che permettono di offrire ottime prestazioni sia tecniche che estetiche. I livelli tecnologici raggiunti nella produzione del materiale hanno permesso un ritorno a grande scala del suo utilizzo come rivestimento esterno. I prodotti in laterizio infatti offrono elevate caratteristiche di resistenza meccanica, agli agenti atmosferici, agli agenti aggressivi ed agli urti; il coefficiente di dilatazione è basso ed il comportamento al fuoco ottimo. I prodotti adatti ai rivestimenti esterni sono soprattutto quelli a pasta compatta caratterizzati da bassa porosità. E' possibile anche controllarne la porosità e impedire le efflorescenze, mediante un particolare processo produttivo che modificando la struttura capillare del materiale impedisce all'acqua di veicolare i sali in superficie. Il laterizio offre la possibilità di utilizzare varie tipologie di sottostruttura e materiali, acciaio, legno, alluminio, in funzione delle esigenze e del tipo di costruzione da rivestire.
Le prove da eseguire sui rivestimenti in laterizio e lapidei e che dovranno essere certificati da un istituto di prova accreditato sono:

5. Resistenza alla flessione delle piastrelle: la prova di resistenza deve essere condotta in accordo alla UNI EN 100 (flessione e taglio) per gli elementi in laterizio mentre per quelli lapidei possono essere utilizzate la UNI 9724 parte 5 (flessione e taglio) oppure la DIN 52112 con due carichi distanziati o ancora la ASTM C880 (flessione pura);
6. Resistenza all'estrazione di fissaggi: la resistenza della ceramica all'estrazione dei fissaggi deve essere dimostrata o determinata sperimentalmente;
7. Resistenza all'invecchiamento: deve essere provata la resistenza meccanica all'invecchiamento della ceramica attraverso prove sperimentali di usura.
I metalli utilizzati in queste applicazioni di facciata in genere presentano un'elevata resistenza meccanica e altissima conduttività termica, pertanto non necessitano di particolari prove per la determinazione delle caratteristiche meccaniche, ma piuttosto devono essere protetti dai fenomeni di corrosione.
Nell'ambito dei sistemi di facciata la maggior parte dei metalli è utilizzata sotto forma di leghe: l'aggiunta in percentuale di piccole quantità di altri metalli modifica alcune delle proprietà accentuandone le caratteristiche fondamentali o correggendone altre. Le caratteristiche meccaniche subiscono delle variazioni anche in relazione ai trattamenti meccanici e termici cui viene sottoposto il metallo.
Per la determinazione delle caratteristiche fisico-meccaniche i metalli utilizzati per i sistemi di rivestimento di facciata vengono sottoposti a prove di trazione, durezza, resilienza, scorrimento, urto, fatica. Di seguito si descrivono le proprietà dell'acciaio, dell''alluminio e dello zinco.
L'acciaio presenta elevata resistenza a trazione, a compressione e a sforzi longitudinali o trasversali (flessione, taglio, torsione). Ha struttura compatta e non è soggetto a fenomeni di disgregazione. Nei sistemi di facciata l'acciaio è utilizzato soprattutto per le sue caratteristiche di resistenza meccanica e di tenacità. La presenza di cromo in una quantità che va dal 13 al 18 % conferisce all'acciaio inossidabile un'alta resistenza agli agenti chimici, in particolare alla corrosione conservando lucentezza nel tempo: un grado più elevato di resistenza alla corrosione è la caratteristica degli acciai denominati con la sigla 18-8, in cui al 18 % di cromo corrisponde l'8 % di nichel, impiegati per usi esterni. La caratteristica di inossidabilità degli acciai al cromo-nichel 18-8 può essere persa nelle operazioni di saldatura, nel punto in cui il giunto viene saldato: si può risolvere il problema garantendo un lento e graduale raffreddamento nel punto precedentemente scaldato. Una applicazione attuale dell''acciaio per i rivestimenti di facciata sono le lastre in acciaio porcellanato, ottenute mediante un processo che garantisce anche a lastre di spessore attorno agli 0,5 mm una eccellente resistenza alla corrosione e una finitura superficiale di valenza architettonica.
L' alluminio è caratterizzato da leggerezza, durezza, buona plasticità e formabilità che consentono di ottenere prodotti diversi, con strette tolleranze dimensionali ed alta precisione nel montaggio.
La scarsa resistenza meccanica viene migliorata attraverso trattamenti metallurgici. Il suo vasto utilizzo nei rivestimenti esterni è dovuto alla elevata resistenza agli agenti atmosferici ed alla corrosione: a contatto con l'ossigeno si passiva coprendosi di ossido che lo protegge dalla corrosione, protezione che può essere prodotta anche artificialmente attraverso il processo di ossidazione elettrolitica. Tra le numerose leghe, quelle che interessano i prodotti per i rivestimenti esterni sono quelle in alluminio-magnesio che attraverso la giusta percentuale di magnesio presentano caratteristiche meccaniche abbastanza elevate pur mantenendo una buona duttilità.
Leghe a base di zinco vengono utilizzate per i rivestimenti esterni data la forte resistenza agli agenti atmosferici ed alla corrosione. Lo zinco-rame è un materiale piuttosto recente, utilizzato soprattutto per i rivestimenti esterni e in lattoneria, la cui lega a base di zinco è costituita da zinco puro elettrolitico di purezza pari al 99,995% e da rame e titanio come leganti.
Questo materiale, prodotto in lastre laminate con larghezza massima di 1 m e spessore da 0,5 a 1,5 mm, ha caratteristiche di resistenza agli agenti atmosferici (in particolare al gelo e all'umidità) e alla corrosione grazie alla patina protettiva che si forma sulla superficie messa a contatto con l'atmosfera, è idrorepellente e stagno al vapore, non è inquinante né tossico, è molto durabile, non richiede manutenzione ed è riciclabile. è sensibile alla corrosione umida e per questo motivo è meglio evitare il contatto con altri metalli per evitare il formarsi di fenomeni di corrosione elettrochimica.


I materiali per la sottostruttura.

I materiali metallici maggiormente utilizzati per la realizzazione dei componenti delle sottostrutture sono gli acciai inossidabili e gli acciai al carbonio da costruzione con zincatura di protezione, oppure le leghe di alluminio. Le sottostrutture realizzate con questi materiali sono impiegate soprattutto nei rivestimenti in pietra naturale o ricostruita e comunque in tutti quei casi dove per dimensione, forma e peso degli elementi del rivestimento occorrono strutture robuste e poco deformabili. Le strutture per facciate in caso di installazione di facciate ventilate utilizzano materiali che diano garanzia di rispondenza a tutti i parametri. Normalmente i componenti della sottostruttura in acciaio sia inox che al carbonio vengono realizzati per lavorazione a freddo, partendo da laminati piani di vario spessore sagomati e stampati fino ad avere la forma voluta. Per gli elementi in lega di alluminio si utilizzano invece elementi di tipo trafilato. In misura minore nella realizzazione di sottostrutture sono utilizzati anche il legno (in particolare in abbinamento con rivestimenti in rame) e altri materiali non metallici (ad esempio il GFRC).

Acciaio al carbonio e inossidabile
Per quanto concerne le caratteristiche degli acciai utilizzabili nelle sottostrutture per pareti ventilate, la scelta tra la carpenteria in acciaio al carbonio zincata e l'acciaio inox è funzione di molti fattori per ciascuno specifico progetto. In generale l'acciaio inox è preferibile in tutti i casi in cui vi possano essere ambienti aggressivi, come installazioni in zone litoranee, industriali, ovvero là dove le normative o le prescrizioni contrattuali lo prescrivano. In ogni caso è opportuno che l'elemento a contatto con il rivestimento esterno sia l'acciaio inox, tranne nei casi di pannelli in ottone o rame che sarebbero soggetti a corrosione galvanica. L'acciaio inox è preferibile anche nei casi in cui la sottostruttura non sia facilmente ispezionabile, ovvero in tutti i casi in cui le lavorazioni in opera di taglio e foratura possano incidere lo strato di zincatura.


Riferimenti Bibliografici

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