Ponte termico parete-serramento: procedura ed esempi di analisi agli elementi finiti (FEM)

I ponti termici parete - serramento 

Uno dei principali elementi di criticità nella costruzione/ristrutturazione di un edificio è l’installazione dei serramenti. In corrispondenza del punto di giunzione tra il telaio e le pareti si creano infatti dei ponti termici la cui rilevanza aumenta per giunti mal corretti o non corretti. Di seguito verrà illustrato come modellare agli elementi finiti il nodo in questione, tramite la proposta di alcuni esempi di correzione. 

I ponti termici parete-serramento sono giunti estremamente complessi oltre che particolarmente influenti sulle prestazioni termiche dell’involucro edilizio. Inoltre, un ponte termico non corretto causa una sensibile riduzione della temperatura superficiale interna, con conseguente rischio di formazione di condensa e muffa.

Il ponte termico si può ritenere corretto quando il telaio fisso del serramento e lo strato isolante dell’involucro opaco sono in battuta: nella modalità di correzione entrano quindi in gioco sia la posizione del serramento (a filo interno, esterno o in mezzeria) che dello strato isolante (interno, esterno o in intercapedine).

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Ovviamente soluzioni ottimali prevederebbero serramento e strato isolante sullo stesso allineamento, ma spesso non è così. Si pensi infatti a tutti gli interventi di riqualificazione energetica su edifici esistenti, per la maggior parte caratterizzati da serramenti installati in mezzeria. Il raggiungimento dei livelli prestazionali in termini di trasmittanza è in genere ottenuto tramite l’installazione di uno strato isolante interno o esterno (il famoso cappotto termico), mentre molto raramente è sufficiente un intervento di coibentazione tramite insuflaggio. Questa discontinuità dello strato isolante crea un ponte termico (i cui effetti sono ancora più gravosi rispetto allo stato di fatto non isolato) che deve essere opportunamente corretto.

Attualmente, le più comuni macro tipologie di nodo parete - serramento sono:

1. Serramento in luce, ovvero quando sia telaio fisso che telaio mobile sono visibili sia dall’interno che dall’esterno;
2. Serramento posato in mezzeria e in mazzetta, la quale rappresenta un elemento di battuta per il serramento e nasconde il telaio fisso dall’esterno, interamente o anche solo parzialmente;
3. Serramento monoblocco, composto da elementi preassemblati.

In questo documento saranno analizzati alcuni esempi di soluzioni relative alla seconda tipologia di nodo.

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Analisi dei due nodi costruttivi problematici del piano terra e come risolverli

Norme tecniche di riferimento: UNI EN ISO 10211 e UNI EN ISO 10077-2

Le diverse metodologie per la valutazione dei ponti termici in edilizia (ponti termici di seguito denominati PT) sono indicate nella norma UNI EN ISO 14683:2018 “Ponti termici in edilizia - Coefficiente di trasmissione termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento”, tra le quali la più accurata risulta essere l’analisi numerica (Finite Element Method – FEM).

Per l’analisi FEM del giunto parete-serramento si fa riferimento alla norma tecnica UNI EN ISO 10211:2018 (“Ponti termici in edilizia - Flussi termici e temperature superficiali - Calcoli dettagliati”) per quanto riguarda la metodologia generale (applicabile quindi a tutti i PT che si possono osservare), e alla norma tecnica UNI EN ISO 10077-2:2018 (“Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 2: Metodo numerico per i telai”) per quanto riguarda condizioni al contorno e modellazione specifica del serramento.

In particolare, questa seconda norma specifica la metodologia di calcolo e valori di ingresso di riferimento per il calcolo della trasmittanza termica dei telai (Uf [W/m²K]) e della trasmittanza termica lineica della loro congiunzione con vetrate e pannelli opachi. Sono inoltre specificate metodologia di calcolo e condizioni al contorno per il calcolo delle dispersioni termiche attraverso il componente cassonetto.

La trasmittanza termica lineica (ψ) del PT parete – serramento (PT di tipo lineare) è data dalla differenza delle dispersioni termiche attraverso il nodo e le dispersioni termiche che si avrebbero attraverso l’involucro opaco, supposto continuo e senza PT, e attraverso il serramento stesso: 

ψ = L_2D – [(U_op · l_op)+ (U_w · l_w)]

in cui:

• L_2D [W/m∙K] è il coefficiente di accoppiamento termico lineico ottenuto tramite un calcolo bidimensionale del componente che separa i due ambienti considerati (ottenibile tramite gli output del software di simulazione FEM); 
• U_op e U_w [W/m²K] sono, rispettivamente, la trasmittanza termica dell’involucro opaco e della finestra che separano i due ambienti considerati (flusso e calcolo monodimensionale); 
• l_op e l_w [m] sono, rispettivamente, la lunghezza del modello bidimensionale relativo a involucro opaco e finestra. 

Per l’analisi dettagliata della metodologia generale per la modellazione numerica dei ponti termici, riportata nella norma UNI EN ISO 10211 si rimanda a questo articolo "Analisi dei ponti termici agli elementi finiti (FEM): procedura ed esempi di calcolo"

Se però la trasmittanza termica dell’involucro opaco può essere semplicemente calcolata nota la resistenza termica dei vari strati di cui è composto, la trasmittanza termica delle finestre dipende da numerosi fattori: tipologia e materiale del telaio, tipologia e materiale del vetro, tipologia di congiunzione tra telaio e vetro.

A questo punto entra in gioco la serie di norme UNI EN ISO 10077:2018 “Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica”:

• la Parte 1 fornisce l’equazione per il calcolo di Uw partendo dalla trasmittanza del telaio, del vetro e del ponte termico tra telaio e vetro;
• la Parte 2 consente (come scritto in precedenza) la valutazione numerica della trasmittanza del telaio e del ponte termico tra telaio e vetro, da utilizzare nella Parte 1.Per poter essere applicata, però, la Parte 2 richiede la conoscenza del profilo dettagliato del telaio.

Figura 1 – Esempio di profilo dettagliato per la modellazione FEM di un telaio in legno.

In questo caso si effettua un calcolo bidimensionale del telaio stesso, modellandolo secondo le specifiche tecniche della norma, attraverso metodi numerici implementati in software di calcolo. L’output del calcolo è un coefficiente di accoppiamento termico (chiamiamolo L_2D,f [W/m∙K]), ovvero un flusso termico lineare scambiato per effetto di una variazione unitaria di temperatura, che comprende gli scambi termici mono e bi-dimensionali attraverso il telaio. Dal coefficiente di accoppiamento termico L_2D,f è pertanto possibile ricavare la trasmittanza termica del telaio dividendo L_2D,f per la lunghezza disperdente del telaio (dimensione anch’essa specificata all’interno della norma).

Analogamente, attraverso la metodologia fornita dalla norma, è inoltre possibile calcolare una trasmittanza termica lineica del giunto tra telaio e vetro e tra telaio e parete.

Il livello di dettaglio richiesto è però difficile da incontrare in pratica, se non per edifici nuovi di cui sono disponibili le schede tecniche dei serramenti. Pertanto, in questo articolo non si intende approfondire tale metodologia, ma si intende fornire un metodo di calcolo che, seppur rigoroso nell’approccio, contiene delle semplificazioni che permettono di calcolare una trasmittanza termica lineare del giunto parete - serramento (chiamata anche ψ di posa) in maniera semplificata, adatto quando non si hanno a disposizione dettagli del telaio e/o dettagli del giunto tra telaio e vetro.

Modello geometrico, semplificazioni e metodologia di calcolo

Come detto, nel caso in cui non sia noto il dettaglio del telaio, ad esempio nel caso in cui il giunto in questione sia relativo ad un edificio esistente, risulta sicuramente complesso modellare il telaio in maniera dettagliata. Inoltre, nel caso in cui non si conosca la sezione del telaio (comprensiva di cavità e di tagli termici), ipotizzare od omettere uno di questi dettagli rischia di portare ad errori grossolani anche nel calcolo della trasmittanza termica lineica (e nel calcolo del fattore di temperatura per la verifica alla condensa).

Pertanto, qualora non si abbia a disposizione una sezione del telaio che si intende modellare, è consigliabile valutare opportune semplificazioni al modello.

Nello specifico, si consiglia di modellare il telaio attraverso una semplificazione della geometria, mantenendo le dimensioni reali di telaio e controtelaio (in Figura 2 lf e sf, rispettivamente larghezza e spessore) e di utilizzare una conducibilità termica equivalente che permetta di ricavare la trasmittanza termica dichiarata dal produttore (o, in caso di edifici esistenti, ricavata attraverso approcci semplificati e valori tabellati per tipologia).

Per quanto riguarda la modellazione del vetro, la 10077-2 suggerisce l’utilizzo di una lunghezza almeno pari a 190 mm. Anche in questo caso, il vetro sarà caratterizzato da una conducibilità termica equivalente che permetta di ottenere una trasmittanza termica U pari al valore dichiarato dal produttore o ipotizzato nel caso di edifici esistenti.

Risultato della simulazione sarà il coefficiente di accoppiamento termico dell’intera finestra (L_2D,w [W/m∙K]) comprensivo degli scambi termici mono e bi-dimensionali (PT tra telaio e vetro).

Figura 2 – Modello semplificato del serramento e dimensioni per il calcolo del coefficiente di accoppiamento termico L_2D,w.

Per quanto riguarda invece il calcolo della ψ di posa del serramento, si definisce un modello geometrico che comprende sia il serramento precedentemente modellato che la parete adiacente.

Secondo la norma UNI 11673-1:2017 “Posa in opera di serramenti - Parte 1: Requisiti e criteri di verifica della progettazione”, il calcolo della trasmittanza termica lineica del giunto parete - telaio deve essere effettuato in corrispondenza del bordo esterno del telaio fisso del serramento.

Inoltre, la norma UNI EN ISO 10211 indica che la dimensione minima (d_min) deve essere stabilita come il valore massimo tra tre volte lo spessore dell’elemento di involucro corrispondente e 1 m. In questo modo non si rischia di escludere parte del campo termico deformato per effetto del ponte termico e quindi di sottostimare l’effetto del PT stesso.

In Figura 3 sono indicate le dimensioni da utilizzare, sia della parete (chiamata l_op, pari alla somma di dmin, dello spessore dell’elemento di chiusura della parete in corrispondenza del serramento, e dello spessore del controtelaio su cui è posato il telaio fisso) che del serramento (l_w).

Figura 3 – Modello del giunto parete e serramento per il calcolo della ψ di posa.

Definito il modello è possibile procedere alla valutazione FEM del coefficiente di accoppiamento termico complessivo (L_2D) del nodo parete – serramento, e successivamente al calcolo della ψ di posa attraverso la seguente equazione

ψ = L_2D – [(U_op · l_op)+ L_2D,w]

La definizione delle condizioni al contorno 

Per il calcolo è però ancora necessario definire le condizioni al contorno per le quali effettuare la simulazione, ovvero:

• Temperature degli ambienti che delimitano il nodo
  • Temperatura dell’aria interna, in funzione della destinazione d’uso dell’edificio;
  • Temperatura dell’aria esterna, ricavata dalla UNI/TR 10349-2 “Riscaldamento e raffrescamento degli edifici – Dati climatici - Parte 2: Dati di progetto”;
  • Ambiente non riscaldato, ricavabili, a seconda dei casi, dalla normo UNI EN ISO 13789:2018 o UNI EN ISO 10211 Appendice E.
• Resistenza termica superficiale interna Rsi ed esterna Rse, fornite dalla norma UNI EN ISO 6946:2018 in funzione della direzione del flusso termico.

Individuate le condizioni al contorno, queste devono essere associate ad ogni segmento che delimita il modello del nodo in esame.

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