Problematiche tecnologiche, strutturali e termodinamiche nell'impiego dei profilati a taglio termico nelle facciate continue a cellule

The “thermal break” technology has been recently developed in Italy in order to increase the energy performance of a window or a curtain wall system, as a result of the national implementation of the European Directive 2002/91/CE concerning the energy performance of buildings. With regard to the tables about limit values of the thermal transmittance of transparent enclosures (attached to the Legislative Decree n. 311), it is clear that the observance of these limits cannot be guaranteed by a curtain wall if not by using thermal break profiles. The system of the "thermal break" consists in inserting an insulating material between two metal profiles that constitute the frame of a window or a curtain wall; the simplicity that characterizes the idea, however, is inversely proportional to the problems which characterize the profile assembled. Thermal break systems, in fact, have been investigated in the past from the point of view of the thermal performance, but, to the present, the insights concerning the structural behavior of the profiles are very limited. The aim of this thesis is to organize the existing contents about thermal break profiles and deal with a preliminary research on the structural behavior of composite sections, in order to provide useful computational tools to designers of the field of curtain wall. The work has been organized into three distinct sections, but at the same time intrinsically related. Part A is devoted to the study of the technological problems of thermal break profiles. At the end of a short chapter descriptive of the most used curtain walls typologies (Chapter 1), the contents are organized in order to provide informations about materials, industrial operations for surface finishing and the phases of the assembly of components. The investigation, together with the study of several reports about shear tests on profiles according to the technical standard EN 14024, has been useful to identify the parameters that mainly influence the mechanical strength of the profiles with thermal break. Part B, however, has been developed for a twofold purpose: 1) organization of the existing theoretical contents about calculation of composite sections and implementation of a German pre-sizing procedure of thermal break profiles, that could be useful in the preliminary design; 2) research of a finite element model able to simulate the effective interaction between the constituent materials. The models presented in chapter 6 exploit the idea of spring/damper connection between materials, useful for modeling the plastic range (slipping) of the profiles. The simulations have been performed to predict the mechanical parameters (shear strength, elasticity constant) characterizing a certain profile. The analysis characterizing the Part C of the thesis have been performed with the aim of determining the effective temperature trend inside a thermal break profile subjected to a thermal forcing. The results have been compared with the sector standards (Ministerial decree of 14/01/2008 and EN 14024).

La tecnologia “taglio termico” si è recentemente sviluppata in Italia per incrementare le prestazioni energetiche di un serramento o di un sistema di facciata, in seguito al recepimento a livello nazionale della Direttiva europea 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell'edilizia. In riferimento alle tabelle contenenti i valori limite di trasmittanza termica di chiusure trasparenti (allegate al D. Lgs. n. 311), appare evidente che il rispetto di tali limiti da parte di una facciata continua non possa essere garantito se non grazie all’utilizzo di montanti e traversi a taglio termico. Il sistema del “taglio termico” consiste nell’interporre un materiale isolante tra due profili metallici costituenti il telaio di un serramento o una facciata continua; la semplicità che caratterizza l’idea, però, è inversamente proporzionale alle problematiche che caratterizzano il profilo assemblato. I sistemi a taglio termico, infatti, sono ormai noti dal punto di vista delle prestazioni termiche, ma, ad oggi, gli studi sul comportamento strutturale dei profili sono assai limitati. L’obiettivo del presente elaborato di tesi è quello di organizzare i contenuti esistenti sui profili a taglio termico ed affrontare una ricerca preliminare sul comportamento strutturale delle sezioni composite, al fine di fornire degli utili strumenti di calcolo ai progettisti di facciate continue a cellule. Il lavoro è stato organizzato in tre sezioni distinte, ma allo stesso tempo intrinsecamente correlate tra loro. La parte A è stata dedicata allo studio delle problematiche tecnologiche dei profili a taglio termico. Al termine di un breve capitolo descrittivo delle facciate continue più utilizzate (capitolo 1), sono stati indagati i materiali costituenti i profili, le operazioni industriali di finitura delle superfici (sia metalliche che plastiche) e le fasi dell’assemblaggio dei componenti. L’indagine, unitamente allo studio di vari rapporti di prove a taglio su profili in accordo alla norma tecnica EN 14024, è servita ad individuare i parametri che maggiormente influiscono sulla resistenza meccanica dei profili dotati di interruzione termica. La parte B, invece, è stata elaborata per un duplice scopo: 1) organizzazione dei contenuti teorici esistenti sul calcolo strutturale delle sezioni composite ed implementazione di una procedura di predimensionamento tedesca da utilizzare nella fase preliminare della progettazione; 2) studio di un modello agli elementi finiti in grado di simulare l’effettiva interazione esistente tra i materiali costituenti. I modelli realizzati sfruttano l’idea della “connessione a molla/smorzatore” tra materiali, utile alla modellazione del campo plastico (scorrimenti) dei profili. I modelli FEM hanno trovato applicazione nella simulazione delle prove di caratterizzazione meccanica in accordo con la norma tecnica di settore. Le simulazioni sono state eseguite al fine di prevedere i parametri meccanici (resistenza al taglio, costante elastica) caratterizzanti un determinato profilo. Nella parte C sono state eseguite delle analisi con lo scopo di determinare l’effettivo andamento delle temperature che si instaura in un profilo soggetto a forzate termica; i risultati sono stati confrontati con le norme di settore (D.M. 14/01/2008 e EN 14024).