Prestazioni dell’Involucro e Proprietà dei Materiali
1.2 I1 — Prestazioni dell’Involucro e Proprietà dei Materiali

Prestazioni dell’Involucro e Proprietà dei Materiali

Le sezioni che finora abbiamo verificato per resistere ai carichi devono rispondere anche a un’altra famiglia di sollecitazioni, meno visibile ma altrettanto quotidiana: il calore, il vapore e il fuoco che attraversano ogni giorno le pareti dell’involucro edilizio.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 3 ore
int. muratura isolante est. T i interno, caldo T e esterno, freddo q — flusso di calore R = s/λ U = 1/ΣR
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Involucro edilizio e prestazioni energetiche

Fin qui (unità H) abbiamo verificato la capacità degli elementi strutturali di resistere ai carichi. Un edificio deve però rispondere anche a un’altra famiglia di sollecitazioni, non meno esigente: quelle climatiche — differenze di temperatura, vapore d’acqua, rischio di incendio — che agiscono sull’involucro edilizio, l’insieme degli elementi (pareti, coperture, serramenti) che separa l’ambiente interno da quello esterno.

Le prestazioni energetiche dell’involucro condividono, sorprendentemente, la stessa logica generale già vista per le sezioni resistenti: una proprietà del materiale (qui non più modulo elastico o resistenza, ma conducibilità termica, densità, calore specifico…) messa in relazione con la geometria dell’elemento (qui: spessore degli strati) per ottenere una prestazione complessiva da confrontare con un limite — non più una tensione ammissibile, ma una trasmittanza termica.

Da questa lezione la serie apre un nuovo filone (I — involucro e prestazioni energetiche), distinto ma complementare a quello dei materiali resistenti (H): non più “quanto regge”, ma “quanto isola, quanto traspira, quanto resiste al fuoco”.
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Trasmissione del calore: la conduzione

Il calore attraversa l’involucro secondo tre modalità fisicamente distinte — conduzione, convezione, irraggiamento — spesso presenti insieme nello stesso elemento, ma governate da leggi diverse. La prima, la conduzione, è la trasmissione di calore all’interno di un materiale solido, per contatto molecolare, senza movimento macroscopico di materia: è il meccanismo dominante attraverso pareti, solai e coperture.

q = λ · A · ΔT / s (legge di Fourier, forma semplificata in regime stazionario)

dove λ è la conducibilità termica del materiale [W/(m·K)], A l’area attraversata, ΔT la differenza di temperatura tra le due facce, s lo spessore. Più λ è basso, meglio il materiale isola.

Materialeλ indicativo [W/(m·K)]
Laterizio0,39 – 0,40
Calcestruzzo normale1,6 – 2,3 (minore se alleggerito)
EPS / lana di roccia0,030 – 0,040
Legno0,13 – 0,18
Acciaio≈ 50 (14 – 60 secondo lega)
Valori indicativi, variabili secondo densità, porosità e umidità del materiale: per un calcolo di progetto vanno sempre verificati sulla scheda tecnica del prodotto o su UNI 10351. Da notare il rovesciamento rispetto a H1-H3: l’acciaio, ottimo a resistere, è un pessimo isolante — mille volte più conduttivo di un isolante come l’EPS.
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Trasmissione del calore: la convezione

La convezione è lo scambio di calore tra una superficie solida e un fluido (aria) in movimento a contatto con essa: naturale se il moto è generato dalle differenze di densità dell’aria stessa (aria calda che sale), forzata se il moto è indotto da una causa esterna (vento, ventilazione meccanica).

q = h · A · ΔT

dove h è il coefficiente liminare (o di adduzione) [W/(m²·K)]. Per superfici verticali, in condizioni convenzionali (UNI EN ISO 6946): hi ≈ 7,7 W/(m²·K) lato interno, he ≈ 25 W/(m²·K) lato esterno — molto più alto, perché all’esterno il vento aumenta lo scambio convettivo. Il coefficiente varia anche con la direzione del flusso: ascendente hi ≈ 10, discendente hi ≈ 5,9.

Questi coefficienti “liminari” includono in realtà anche una quota di scambio per irraggiamento tra la superficie e l’ambiente circostante (tavola 04): sono, a rigore, coefficienti liminari equivalenti, non di sola convezione.
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Trasmissione del calore: l’irraggiamento

L’irraggiamento è lo scambio di calore tra superfici a temperatura diversa tramite onde elettromagnetiche, senza bisogno di alcun mezzo materiale interposto (avviene anche nel vuoto — è così che il Sole scalda la Terra).

q = ε · σ · T⁴ (legge di Stefan-Boltzmann; σ ≈ 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴))

dove ε è l’emissività della superficie (0 ≤ ε ≤ 1: quanto efficacemente la superficie irraggia rispetto a un corpo nero ideale) e T la temperatura assoluta.

Nella pratica progettuale corrente l’irraggiamento tra le superfici interne ed esterne dell’edificio e l’ambiente circostante non si calcola quasi mai isolatamente: il suo effetto è già incorporato nei coefficienti liminari equivalenti hi e he della tavola 03.
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Proprietà degli strati: la resistenza termica

Per un singolo strato omogeneo di spessore s e conducibilità λ, si definisce la resistenza termica:

R = s / λ [m²·K/W]

Più R è alto, meglio lo strato isola: a parità di materiale (λ fisso), R cresce con lo spessore; a parità di spessore, R cresce quanto più il materiale è isolante (λ basso). Quando più strati sono sovrapposti nello stesso elemento, le loro resistenze si sommano — un principio dello stesso tipo di quello delle resistenze elettriche in serie, o della sovrapposizione dei contributi di elementi diversi già incontrata, in altra forma, nella sezione composta di H4.

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Proprietà degli strati: la trasmittanza termica

La grandezza che descrive la prestazione termica complessiva di una parete multistrato è la trasmittanza termica U, l’inverso della resistenza termica totale:

U = 1 / Rtot
Rtot = Rsi + ΣRstrati + Rse

dove Rsi e Rse sono le resistenze liminari interna ed esterna, reciproche dei coefficienti hi e he della tavola 03 (Rsi = 1/hi ≈ 0,13 m²·K/W; Rse = 1/he ≈ 0,04 m²·K/W, per flusso orizzontale).

U è, per l’involucro, l’equivalente concettuale di quello che era σamm per la sezione resistente in H1-H4: un valore da confrontare con un limite normativo — qui un limite massimo, cioè “non superare”, variabile per zona climatica secondo il D.Lgs. requisiti minimi (qui non sviluppato nel dettaglio numerico).
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Esempio: calcolo della trasmittanza di una parete multistrato

Esercizio guidato

Calcolare la trasmittanza U di una parete verticale composta, dall’interno verso l’esterno, da: intonaco interno (1,5 cm, λ=0,70), muratura in laterizio (25 cm, λ=0,40), isolante in lana di roccia (8 cm, λ=0,035), intonaco esterno (1,5 cm, λ=0,90).

1. Resistenza di ciascuno strato (R = s/λ)

Stratos [m]λ [W/(m·K)]R [m²·K/W]
Intonaco interno0,0150,700,021
Muratura in laterizio0,250,400,625
Isolante (lana di roccia)0,080,0352,286
Intonaco esterno0,0150,900,017

2. Resistenza totale

Rtot = 0,13 + 0,021 + 0,625 + 2,286 + 0,017 + 0,04 ≈ 3,12 m²·K/W

3. Trasmittanza

U = 1 / 3,12 ≈ 0,32 W/(m²·K)

Si osserva come lo strato isolante, pur essendo il più sottile insieme agli intonaci, fornisca da solo oltre il 70% della resistenza termica totale: è sempre lo strato a λ più basso a dominare il risultato, non quello più spesso in assoluto.

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Massa volumica

La massa volumica (o densità) ρ = m/V [kg/m³] non entra nel calcolo di R e U, ma è decisiva per un’altra prestazione dell’involucro: la sua inerzia termica (tavola 10). A parità di spessore, un materiale denso (muratura, calcestruzzo) ha una massa termica ben maggiore di uno leggero (isolanti in EPS o lana minerale).

Materialeρ indicativo [kg/m³]
Laterizio700 – 1200 (forato) / 1500 – 1800 (pieno)
Calcestruzzo normale2200 – 2400
EPS15 – 35
Lana di roccia30 – 100
Legno450 – 700
Ordini di grandezza tipici (UNI 10351): per un calcolo puntuale, verificare sempre la scheda tecnica del prodotto specifico — la densità reale può discostarsi sensibilmente da questi intervalli.
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Calore specifico

Il calore specifico c [J/(kg·K)] misura la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 K la temperatura di 1 kg di materiale: insieme alla densità ρ e allo spessore s, determina quanta energia termica uno strato è in grado di accumulare.

Capacità termica areica ≈ Σ (ρ · c · s) per ciascuno strato [J/(m²·K)]

Materiali con ρ·c·s elevato (murature, calcestruzzo) accumulano molta energia a parità di variazione di temperatura; materiali leggeri (isolanti) ne accumulano pochissima — un buon isolante (R alto) è quasi sempre anche un pessimo accumulatore di calore (ρ·c basso): sono due prestazioni diverse, spesso in tensione tra loro nella stessa scelta di materiale.

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Sfasamento e fattore di attenuazione

La capacità termica areica della tavola 09 governa due effetti dinamici, non colti dal solo calcolo stazionario di U: lo sfasamento (il ritardo temporale con cui l’onda di calore esterna si ripercuote sulla superficie interna: un valore ideale spesso citato è dell’ordine di 12 ore, così che il picco di calore estivo esterno raggiunga l’interno di notte) e il fattore di attenuazione (la riduzione dell’ampiezza dell’oscillazione termica nell’attraversare la parete).

Una parete massiccia (muratura, calcestruzzo — gli stessi materiali resistenti visti in G4 e H4, qui osservati da un punto di vista completamente diverso, quello termico anziché meccanico) offre buona inerzia ma, da sola, resistenza termica modesta; un pannello isolante leggero offre R alto ma inerzia quasi nulla. L’involucro efficiente combina tipicamente i due comportamenti in strati distinti, come nell’esempio della tavola 07.
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Resistenza alla diffusione del vapore

Oltre al calore, attraverso l’involucro migra anche vapore d’acqua, spinto dalla differenza di pressione parziale di vapore tra interno ed esterno. La resistenza di un materiale a questo passaggio si esprime con il fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ, adimensionale: indica quante volte un materiale è più resistente al vapore rispetto a uno strato di aria ferma di pari spessore (μaria = 1, per definizione).

Materialeμ indicativo
Aria (riferimento)1
Laterizio≈ 16
Calcestruzzo≈ 100 – 150
Legno≈ 50 – 250 (fortemente variabile per essenza e direzione delle fibre)
EPS≈ 50 – 150
Membrane bituminose≈ 50 000 (praticamente impermeabili al vapore)
Attenzione: i valori di μ trovati in letteratura tecnica per uno stesso materiale sono spesso fortemente discordanti tra loro (dipendono in modo marcato da densità, porosità e umidità del campione specifico) — molto più che per λ o ρ. Questa tabella va quindi presa come puro ordine di grandezza indicativo: per qualunque verifica reale il valore di μ va letto sulla dichiarazione di prestazione (DoP) o scheda tecnica del prodotto effettivamente impiegato, mai da un prontuario generico.
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Il metodo di Glaser: la condensa interstiziale

Se il vapore che attraversa la parete incontra, in uno strato interno, una temperatura abbastanza bassa da far scendere la pressione di saturazione sotto la pressione di vapore effettiva, il vapore condensa all’interno della parete stessa: è la condensa interstiziale, potenzialmente dannosa per isolanti e strutture.

Il metodo di Glaser (norma di riferimento UNI EN ISO 13788) verifica questo rischio per via grafica: si costruisce, strato per strato, il profilo della pressione di vapore effettiva e lo si confronta con il profilo della pressione di saturazione (legata alla temperatura, calcolata a sua volta con lo stesso procedimento a resistenze in serie della tavola 06). Se le due curve si intersecano all’interno della parete, si ha condensa nel punto di intersezione.

Sd = μ · s (spessore equivalente d’aria, m)

dove Sd è lo “spessore d’aria” che offrirebbe la stessa resistenza al vapore dello strato reale — la stessa idea di resistenze in serie della tavola 05/06, applicata questa volta al vapore anziché al calore.

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Resistenza alla compressione dei materiali da involucro

Per i materiali da involucro, in particolare gli isolanti, la resistenza meccanica è una prestazione secondaria rispetto a quella termica — ma non trascurabile, quando lo strato deve sopportare un carico (isolamento sotto pavimento, coperture piane calpestabili). Si misura, per gli isolanti, secondo la norma EN 826, come tensione σ10 corrispondente al 10% di deformazione, espressa tipicamente in kPa anziché in MPa.

Classi CS100 – CS200 → σ10 ≈ 0,1 – 0,2 N/mm²
Un confronto diretto con H1-H4 è istruttivo: un acciaio da carpenteria resiste centinaia di N/mm² (H3), un calcestruzzo strutturale decine (H4) — un isolante comune arriva appena a un decimo di N/mm². Due famiglie di materiali con compiti completamente diversi, verificate con criteri diversi.
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Reazione al fuoco: le Euroclassi

La reazione al fuoco descrive il contributo di un materiale allo sviluppo di un incendio (non va confusa con la resistenza al fuoco, che riguarda invece la capacità portante nel tempo — non trattata in questa lezione). Si classifica secondo le Euroclassi della norma EN 13501-1:

ClassePrestazione
A1Incombustibile
A2Combustibilità molto limitata
B, C, DPrestazioni decrescenti, contributo crescente all’incendio
EPrestazione minima accettabile
FNessuna prestazione determinata / non classificato
Indicativamente: laterizio e calcestruzzo sono generalmente A1; il legno non trattato ricade in genere in classe D-E (migliorabile fino a B con trattamenti ignifughi); un EPS non additivato è tipicamente E o F. Il valore dipende sempre da spessore, densità e trattamento del prodotto specifico: va sempre verificato sulla Dichiarazione di Prestazione (DoP).
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Classi aggiuntive: fumo e gocciolamento

Alla lettera dell’Euroclasse (tavola 14) si affiancano due classificazioni aggiuntive, riportate insieme nella sigla completa di un prodotto (per esempio: B-s1,d0):

Produzione di fumo — s

s1 (bassa) → s2 → s3 (elevata): quanto fumo il materiale produce bruciando.

Gocciolamento — d

d0 (nessuno) → d1 → d2 (gocciolamento continuo): se il materiale produce gocce o particelle infiammate.

Un prodotto B-s1,d0 è quindi un materiale di classe B, con bassissima produzione di fumo e nessun gocciolamento infiammato — la sigla completa, non la sola lettera principale, è ciò che va sempre verificato in fase di scelta dei materiali per l’involucro.

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Autovalutazione

Quattro problemi per verificare la comprensione degli argomenti della lezione.

Problema 1

Uno strato di isolante ha spessore s = 6 cm e conducibilità λ = 0,036 W/(m·K). Calcolare la sua resistenza termica R.

Problema 2

Una parete semplice è composta da un solo strato di laterizio (s = 30 cm, λ = 0,40) con Rsi ≈ 0,13 e Rse ≈ 0,04. Calcolare Rtot e la trasmittanza U.

Problema 3

Spiegare, con un esempio concreto per ciascuna, la differenza fisica tra conduzione, convezione e irraggiamento.

Problema 4

Spiegare perché una parete con capacità termica areica (ρ·c·s) elevata offre buona inerzia termica e sfasamento, anche quando la sua resistenza termica R non è particolarmente alta.

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Riepilogo dei concetti chiave

  • L’involucro edilizio deve rispondere a sollecitazioni climatiche (calore, vapore, fuoco), con la stessa logica generale — proprietà del materiale + geometria → prestazione verificata contro un limite — già vista per le sezioni resistenti (H)
  • Il calore si trasmette per conduzione (q=λ·A·ΔT/s, entro i solidi), convezione (q=h·A·ΔT, tra superficie e aria) e irraggiamento (q=ε·σ·T⁴, tra superfici a distanza)
  • Ogni strato ha una resistenza termica R = s/λ; sommando le resistenze di tutti gli strati più quelle liminari si ottiene Rtot, e la trasmittanza U = 1/Rtot — la prestazione termica complessiva della parete
  • Massa volumica ρ e calore specifico c determinano la capacità termica areica (≈ρ·c·s), che governa sfasamento e attenuazione: prestazioni dinamiche distinte da U
  • La resistenza alla diffusione del vapore (fattore μ, valori spesso discordanti in letteratura — verificare sempre la scheda tecnica) e il metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) verificano il rischio di condensa interstiziale
  • La resistenza alla compressione degli isolanti si misura secondo EN 826 in kPa — ordini di grandezza molto inferiori ai materiali strutturali di H1-H4
  • La reazione al fuoco si classifica con le Euroclassi EN 13501-1 (A1-F), completate dalle classi aggiuntive s (fumo) e d (gocciolamento)