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parte sec ond a2.3 Partecipazione ad un bando del Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare: Domus Naturalis, progetto finanziato.
Il progetto è stato presentato dall’ex Dipartimento di Energetica di Pisa “L.Poggi”, in collaborazione con la Facoltà di Architettura di Cagliari, la Provincia del Medio Campidano, il Comune di Serrenti (VS) e soprattutto col supporto di numerose aziende locali e alcune del resto del territorio nazionale. Domus Naturalis prevede oltre alla realizzazione di un edificio a basso consumo energetico, coibentato con materiali naturali, lo studio delle proprietà termofisiche del mattone in argilla col quale saranno realizzate le murature e il monitoraggio del comportamento termodinamico, sia durante il corso della sua realizzazione che a lavori ultimati nella stagione estiva e invernale.
L’interesse verso una sperimentazione nella tradizione costruttiva in terra è da considerarsi ascrivibile all’assenza di sistemi normativi di riferimento per gli edifici di nuova costruzione in terra cruda; ne consegue la necessità di una loro identificazione attraverso progetti pilota sperimentali.
L’idea del progetto nasce nel settembre del 2009 dopo aver inquadrato le problematiche relative alle costruzioni ex-novo delle Architetture di Terra nel nostro Paese. Si tratta senz’altro di un settore di nicchia: poche sono le persone che oggi scelgono di costruire un’abitazione servendosi della tecnica costruttiva dell’adobe, sia per la mancata conoscenza delle caratteristiche positive di questo materiale, sia perché non tanti sono i contesti urbani nei quali può essere applicato né tantomeno vasto è l’interesse nei suoi riguardi e non ultimo sussistono costi maggiorativi legati ad una costruzione che predilige l’utilizzo di materiali naturali (quanto meno nei paesi occidentali, come si dirà nell’ultimo capitolo di questa tesi). A ciò si aggiunge, come visto in precedenza, la presenza di una scarsa e talvolta inesistente normativa di forte supporto per la valorizzazione e incentivazione alla conservazione del patrimonio esistente, (ad oggi in alcuni centri storici del Medio Campidano continuano ad essere abbattute abitazioni in terra senza che nessun provvedimento amministrativo lo vieti o perlomeno ne scoraggi la scelta) e per le nuove realizzazioni. Le architetture di terra, nonostante risultino un settore marginale del mercato edilizio, sono in ogni caso parte integrante del paesaggio urbano nazionale, (in particolare dei centri storici della Sardegna) e come visto anche di quello internazionale sotto tutela dell’UNESCO.
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Avendo avuto la possibilità di esporre queste considerazioni in presenza del Sindaco di
Serrenti, del segretario dell’Associazione Nazionale Città della Terra Cruda e dell’ Arch. Ignazio Garau, cultore del paesaggio delle architetture di terra, proposi di unire le forze
per la realizzazione del progetto di un edificio sperimentale in adobe da studiare in seno a centri di ricerca universitari e con la collaborazione delle aziende locali per l’acquisizione di nuovi dati
sperimentali relativi all’efficienza energetica delle case di terra. Il sindaco di Serrenti, l’Ing. Luca Becciu, si rese disponibile per il sopralluogo dell’area di intervento nel suo Comune. Tra
le proposte all’unanimità concordammo per il “Parco ciclabile dei bambini di Serrenti”, un’area riservata ai bambini e da loro stessi disegnata nell’ambito del progetto “Ruote Scintillanti”55. Il parco è stato realizzato in seguito alla vincita (da parte del laboratorio tecnico “Officinevida” di San Sperate -CA), di un concorso di idee per la promozione di interventi di qualità paesaggistica e sostenibilità ambientale di spazi aperti in aree urbane. All’interno di questa forma di progettazione partecipata i bambini sono stati parte attiva, non soltanto nella progettazione del parco ma anche nella sua realizzazione, avendo partecipato alla piantumazione delle specie arboree previste. Un’area del parco ancora da completare e individuata come potenziale luogo di sviluppo del progetto-pilota che prenderà il nome di “Domus Naturalis”, si prestava spontaneamente ad essere uno spazio da destinare ancora ai bambini: l’edificio sperimentale sarà infatti destinato ad essere uno spazio di aggregazione sociale per la didattica sugli orti che completeranno l’area intorno al piccolo edificio in terra cruda. Il Bando del Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare pubblicato in Gazzetta ufficiale il 21/12/2009 sembrò una buona possibilità per lo sviluppo del progetto.
La scelta dei materiali edilizi per la costruzione è stata condotta il più possibile nel rispetto dell’ambiente in termini di emissioni di CO2; reperibilità dei materiali sul luogo, loro possibilità di reintegrazione nell’ambiente (in fase di possibile dismissione dell’edificio), scarsa dispersione energetica dell’ambiente interno; possibilità di dotare l’edificio di un impianto di condizionamento dimensionato per dare un contributo minimo alla mitigazione della temperatura interna dei locali.
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2.3.1 Domus Naturalis: studio preliminare
Di seguito sono riportate le prime informazioni relative al progetto. Alla sua realizzazione parteciperanno sette aziende sarde che metteranno a disposizione la maggior parte dei materiali edili necessari alla costruzione. L’impresa edile Cabboi (Comune di Musei-VS) fornirà l’adobe, oggetto principale di studio, materiale da loro stessi forgiato artigianalmente e analizzato tramite lo studio del Laboratorio Tecnologico Mantovano56
27.2 1 Serrenti (Provincia del Medio Campidano -VS) Localizzazione del Parco delle Biciclette, a nord del centro abitato
27.2 Distribuzione delle piste ed essenze selezionate
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parte sec ond a27.2 2 Immagini del ponte e del sottopassaggio realizzati nel parco
Domus Naturalis sarà orientato in modo da ricevere irraggiamento diretto, attraverso superfici trasparenti, dai punti cardinali sud, est, ovest. Tali aperture dovranno essere facilmente flessibili e trasformabili in modo da tamponare sequenzialmente ogni lato trasparente esposto, secondo ponderate sequenze temporali di osservazione e rilevamento dei dati fisici riscontrati.
27.2 3 Progetto Preliminare: inquadramento
Edificio sperimentale Domus Naturalis
Area degli orti didattici
Pista delle biciclette “Ruote scintillanti”
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Edificio in terra cruda costruito recentemente
L’edificio di semplice concezione e di modeste dimensioni (10,90 * 7,00) m è composto da un Laboratorio per la didattica sugli orti, caratterizzato da uno spazio centrale realizzato in terra battuta, un servizio,un office e un atrio d’ingresso.
27.2 4 Pianta edificio sperimentale: prima proposta e seconda proposta
Le murature di tamponamento (3,50*0,55), sono realizzate in adobe e coibentate con l’utilizzo di isolanti naturali, di origine animale e vegetale. La struttura si poggia su fondamenta in C.A. ed è dotata di una copertura a falde sorretta da un’intelaiatura lignea (capriata+travi).
2.3.2 Domus Naturalis: studio definitivo
Il progetto di Ricerca è teso a verificare l’efficacia energetica e di comfort dell’ambiente confinato. Il punto di partenza per la definizione dell’involucro edilizio è stata la verifica dei dati climatici del luogo, attraverso il controllo delle temperature medie mensili, i gradi giorno del sito, la sua altitudine sopra il livello del mare. Definita la fascia climatica, (ovvero la C per il Comune in esame), è possibile riferendosi al D.Lgs. 311/06 stabilire i limiti di trasmittanza imposti dalla normativa. Sulla base della scelta dei materiali locali disponibili sono stati ricavati coefficienti di
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trasmissione termica che rispettano la normativa e che qualche volta si mostrano migliori rispetto ai limiti proposti, cercando di trovare un equilibrio di costi, benefici e quantità di materiale utilizzato.
27.2 5 Pianta e Prospetti Prospetto Sud
Prospetto Ovest Prospetto Est
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2.3.3 Domus Naturalis: materiali ecoefficienti selezionati per l’isolamento termico
Il materiale principalmente oggetto di studio è l’adobe, per le sue caratteristiche fisiche ottimali di elevata inerzia termica e regolarizzazione dell’umidità dell’aria interna (caratteristica ancora tanto da indagare da parte della ricerca scientifica).
All’estero, come in Messico e in Germania esiste da tempo una filiera del crudo in cui la miscela è controllata fornendo perciò valori fisici attendibili e costanti. In Italia filtrano i prodotti tedeschi ma alcune imprese italiane si stanno attivando per ottimizzare questo prodotto che fa parte della tradizione e di numerose realtà locali, soprattutto in Sardegna. La Fornace emiliana Brioni57 ha fatto questo passo in avanti, sfruttando la stessa filiera del cotto e promuovendo un proprio prodotto dotato di certificati di prova estremamente validi ed interessanti. Ed è anche per questa tematica che la ricerca privilegia questo materiale: trattandosi di un prodotto nato artigianalmente e che tuttora continua per lo più ad esserlo, non è quasi mai accompagnato, da chi lo produce e lo vende da un certificato che attesti le sue caratteristiche fisico-meccaniche nonché la conformità europea (CE). Il mattone in terra cruda è un materiale edile estremamente valido e risulta una perdita dell’economia locale, laddove è diffusa la tecnica, non avere a livello statale e regionale incentivi che facilitino il miglioramento della produzione, del controllo quindi della certificazione del prodotto.
Gli altri materiali edili selezionati con cura per l’involucro, sono quelli utilizzati per la coibentazione dell’adobe, altro punto interessante della ricerca poiché in Sardegna non c’è una forte cultura costruttiva legata all’utilizzo del cappotto nell’involucro edilizio delle case di terra, né tantomeno un comune utilizzo dell’isolamento in abbinamento all’adobe. Per questo motivo sarà interessante verificare il comportamento termico della soluzione tecnologica composta.
L’altro materiale privilegiato nella composizione delle stratigrafie è un altro importante materiale autoctono sardo: la lana di pecora, con la cui commercializzazione nell’edile, nell’impiantistica e in elementi di arredo, l’azienda sarda Edilana di Guspini (Provincia del Medio Campidano), si è fatta strada nel mercato dei prodotti sostenibili ottenendo numerosi riconoscimenti e premiazioni. La loro carta vincente è stato scoprire l’importanza che possono avere talvolta gli
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scarti di produzione, come di fatto quelli della lana. Si tratta di una materia prima rigenerabile e l’abbondante produzione di ovini da lana, determina sul mercato un’eccedenza di lana che viene bruciata o interrata come concime.
La lana di pecora ha eccellenti proprietà termofonoisolanti, è traspirante e altamente igroscopica. Possiede la capacità di assorbire acqua, senza diminuire il proprio potere isolante fino ad un terzo del proprio peso in relazione all’umidità relativa dell’aria, cedendola all’ambiente se il tasso scende. E’ in grado di assorbire e neutralizzare le sostanze tossiche presenti nell’aria (formaldeide, ozono..); è autoestinguente, per cui in caso di incendio non brucia ma si scioglie senza emettere gas tossici. E’ attaccabile da parassiti, perciò deve essere protetta
Materassini in lana di pecora prodotti da Edilana58.
Il materassini Edilana sono utilizzati per l’isolamento termoacustico in intercapedini di pareti e coperture con strutture in legno, in cappotti esterni ed interni ventilati, in pareti divisorie
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interne e in controsoffitti. I feltri a maggior compattezza vengono utilizzati al di sotto di pavimenti galleggianti per ridurre il rumore da calpestio.
Nel progetto Domus Naturalis l’involucro dispone di un cappotto esterno che utilizza la lana, come l’interno di un’intercapedine, protetta cioè da uno strato successivo e più esterno che serve da supporto e strato protettivo: il pannello compresso di canna palustre.
La canna palustre è una delle più diffuse graminacee nostrane, che cresce spontaneamente nelle zone paludose e lungo le rive di fiumi, canali e ai margini dei laghi. Si moltiplica velocemente tanto da divenire infestante. E’ un materiale con un buon comportamento termico e acustico. E’ traspirante, svolge funzioni di equilibrio igroscopico, caratteristica accentuata con intonaco a base di argilla. E’ resistente all’attacco di muffe e alla putrescenza (previa essicazione, in realtà non necessaria poiché dovrebbero essere raccolte soltanto canne già essiccate).
Non contiene sostanze tossiche in nessuna fase del suo ciclo di vita. Inoltre i pannelli in canna palustre costituiscono un ottimo porta intonaco. Questi sono immagazzinati in luoghi asciutti (in piedi o in superfici piane), mentre devono essere trasportati in verticale per evitare torsioni e piegamenti. Le canne vengono compresse e legate meccanicamente con filo di ferro zincato o filo di nylon.
In realtà in Sardegna è assente la produzione di questo tipo di materassino, ma non manca invece la disponibilità della materia prima. Le canne vengono utilizzate nell’isola per il recupero di coperture tradizionali lignee, che utilizzano lo strato di canne al posto dell’assito in legno al di sopra delle travi.
Utilizzo dell’incannucciato sardo
Inoltre il territorio dispone di proprie piante palustri come il Falasco, che sono utilizzate come manti di copertura per la realizzazione di piccoli capanni agricoli, (utilizzato da una piccola
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ditta “Cose in Canna”, di Nuraminis (OR).
27.2 7 Il Falasco e Capanno agricolo rivestito in Falasco
Struttura dei capanni da rivestire in Falasco59
Un ulteriore supporto per il materassino di lana, alternativo alla canna palustre, potrebbe essere il pannello di sughero anch’esso prodotto a livello locale.
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2.3.4 Domus Naturalis: progetto esecutivo
27.2 8 Illustrazione della stratigrafia della parete
La stratigrafia muraria, dello spessore di 55 cm, si compone, principalmente, dall’interno all’esterno di: intonaco in argilla 5 cm, adobe 40 cm, fondo in argilla 1cm (tenuta al vento), materassino Edilana 9 cm, pannello compresso in canna palustre 2 cm, intonaco di calce supportato da rete porta intonaco di 2cm. Il coefficiente di trasmissione termica risulta di 0, 27 W/m2K , perciò al di sopra del limite previsto sulla fascia climatica C, per quel che concerne le pareti verticali opache.
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27.2 10 Stratigrafia del solaio controterra
Il solaio controterra si propone con un valore di trasmittanza entro i limiti della normativa: 0,40W/m2K, contro il limite imposto di 42 W/m2K. Non ho ritenuto eccedere con questo valore, ma rispettarne il limite per l’eccessivo costo delle coibentazioni da utilizzarsi nei solai controterra, come il vetro cellulare qui utilizzato, per evitare risalite di umidità. Oltre all’elevato costo economico, vi è un costo di produzione ambientale, poiché si utilizzano alte temperature per il suo confezionamento. Non proviene da materiali sintetici e inquinanti ma il suo smaltimento non è semplice: può essere riutilizzato come coibente soltanto nel caso in cui sia stato posato a secco; in caso contrario può essere riutilizzato per fondi stradali.
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27.2 11 Particolare della fondazione
2.3.5 Domus Naturalis: considerazioni conclusive
Di seguito sono riportate le analisi svolte col programma di calcolo CasaClima sull’involucro edilizio per la determinazione della sua efficienza energetica espressa in KWh/(m2a).
La struttura è stata confrontata con lo stesso volume realizzato con un comune laterizio.
Per quanto riguarda l’efficienza energetica dell’involucro edilizio:
- Il fabbisogno termico invernale risulta di 26 KWh/m2a per la muratura in adobe e di 25 KWh/m2a per il laterizio.
- L’apporto solare mensile per irraggiamento dell’adobe registra valori più alti rispetto al laterizio ma recupera in un tempo di sfasamento più lungo e in una migliore attenuazione.
- Le verifiche termoigrometriche sono negative per entrambe le strutture, ovvero non vi è presenza di condensa interstiziale.
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Si può affermare che a parità di coibentazione, la struttura in adobe (che in tal modo rientra nei limiti di trasmittanza imposti per le pareti verticali opache) raggiunge lo stesso livello di qualità di un laterizio nel periodo invernale e conferma la sua alta qualità nel comportamento in regime estivo. Alla voce di questi dati emergono chiare due importanti differenze relative al mattone di terra:
- basso costo di produzione ed elevata compatibilità ambientale (per l’assenza di energia grigia nella produzione stessa)
- utilizzo, in regime estivo, di impianti di climatizzazione di portata inferiore per le condizioni di comfort richieste da un ambiente confinato.
2.4 Ricerca bibliografica relativa a studi e sperimentazioni sul comportamento termico delle architetture in adobe
Le prime indagini svolte in questa tesi sull’involucro edilizio in adobe hanno portato a dimostrare che lo studio di questo materiale è interessante sotto vari aspetti: tematiche talvolta ancora da approfondire anche da parte della ricerca internazionale sulla materia, come nel caso dei benefici che il mattone crudo può apportare agli ambienti confinati con la regolazione dell’umidità dell’aria interna tramite il suo valore di W(%)60
E’stata consultata un’ampia bibliografia su studi e sperimentazioni effettuate sulle strutture murarie in terra cruda, a partire dagli anni sessanta fino agli anni duemila, con fonti provenienti da varie parti del mondo che mettono in luce problematiche e benefici di questo materiale.
Dalla ricerca bibliografica è emerso il condiviso utilizzo, sia in Francia che in Inghilterra, delle sonde ad immersione per le quali sono state ricercate le basi matematiche utili al loro funzionamento. L’utilizzo di tali sonde a shock termico permette di trovare le caratteristiche termofisiche delle murature in tempi relativamente brevi.
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La Ricerca è stata condotta tra l’ “ICCROM”61, (Centro di Studi Internazionale per la Conservazione e il Restauro dei Beni Culturali) di Roma, la “Biblioteca Nazionale di Firenze”62, l’ “Associazione Nazionale Città della Terra Cruda” di Samassi –VS- (Centro di documentazione nazionale sulle Architetture di Terra), il “CRATerre”63 (Laboratorio di Ricerca sulle Architetture di Terra della Scuola di Architettura di Grenoble).
La ricerca è stata condotta con l’intenzione di recuperare quanto più possibile, gli studi intrapresi per la ricerca delle caratteristiche termofisiche dell’adobe e del comportamento termico delle strutture di terra in regime dinamico, nonché della conferma o della negazione del benessere abitativo di questi involucri edilizi al variare delle condizioni esterne.
2.4.1 Egitto
Le fonti più lontane riportano le prove condotte, negli anni sessanta,
1964 dall’Arch. Hassan Fathy, presso El Cairo.
L’architetto egiziano, vissuto nel secolo scorso, ha lavorato durante tutto l’arco della sua esistenza, progettando abitazioni per le persone meno abbienti nei Paesi in via di Sviluppo, (con il minimo costo per l’economia e il miglioramento degli standard di vita nelle aree rurali) e istruendo gli abitanti locali all’autocostruzione, sia per la produzione dei materiali che delle proprie abitazioni.
-Arch. Hassan Fathy-
Architetto e urbanista egiziano (1900-1989)
2.4.1.1 Esperimenti condotti su diversi edifici costruiti al Cairo64
61
Sito web: http://library.iccrom.org/libris/index.html 62 Sito web: http://www.bncf.firenze.sbn.it/pagina.php?id=36 63 Sito web: http://craterre.org/recherche/
64
2002, TROMBETTA, “L’attualità del pensiero di Hassan Fathy nella cultura tecnologica contemporanea. Il luogo,
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Nel 1964, sei piccoli edifici sperimentali furono costruiti sui terreni del Cairo Building Research Center, impiegando materiali diversi, allo scopo di valutare i costi, la disponibilità in loco e il comfort termico. Dei sei edifici, due rappresentavano tipologie estreme. Il primo edificio era costruito interamente in mattoni d’argilla, con pareti spesse 50 cm (20 pollici) ed una copertura la cui forma era il risultato della combinazione tra una cupola e una volta a botte. L’altro invece era realizzato con pannelli prefabbricati in cemento dello spessore di 10 cm (4 pollici), sia per le pareti che per la copertura. Questi modelli sono stati testati dall’architetto in un giorno di marzo, quando la temperatura esterna dell’aria variava dai 12°C, (53°F), alle 6:00 di mattina, ai 28°C, (82,4°F), alle 14:00; per poi riscendere ai 12°C, (53,6°F), alle 4:00 del mattino.
27.2 12 27.2 13
Come illustrato nelle figura 27.2 1, l’oscillazione della temperatura dell’aria all’interno del modello in mattoni d’argilla, non risultò superiore ai 2°C, (3,6°F), nel periodo delle 24 ore, con temperature che variavano tra i 21°C e i 23°C, (69,8°; 73,4°F), rimanendo ben all’interno della zona di comfort. Al contrario, la temperatura massima riscontrata all’interno del modello prefabbricato raggiunse i 36°C, (97°F), un valore superiore di 13°C, (23°F), rispetto a quello del modello precedente e superiore di 9°C rispetto alla temperatura dell’aria esterna. Il modello prefabbricato in calcestruzzo, rientrò nella zona di comfort soltanto per un’ora, tra le 9 e le 10 del mattino e tra le 8:40 e le 12:20 di sera. I diversi risultati dipesero sia dai diversi spessori murari, sia dai diversi Confronto tra le escursioni termiche della temperatura
interne ed esterne nell’arco delle 24 ore nel modello in mattoni d’argilla
Confronto tra le escursioni termiche della temperatura interne ed esterne nell’arco delle 24 ore nel modello prefabbricato in calcestruzzo
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coefficienti di conducibilità termica. La parete in mattoni crudi mostrò una resistenza termica superiore di tredici volte a quella realizzata in calcestruzzo. Sfortunatamente questi modelli non sono stati testati alle date salienti degli equinozi e dei solstizi: ciò avrebbe potuto fornire dati più salienti in merito all’accumulo di calore ed all’effetto ritardante65.
Quanto sperimentato dall’Arch. Hassan Fathy, attraverso strumenti e metodi disponibili per quei tempi è stato negli anni novanta dimostrato scientificamente da una coppia di ingegneri: un inglese, Dr. David Webb e un arabo, Dr. Salih bin ‘Abd al-Rahman al-‘ Ajlan. I due studiosi hanno verificato lo sfasamento e l’attenuazione dell’onda termica delle due strutture, confermando la migliore capacità di reazione al clima rigido, delle strutture murarie in argilla. Gli studi sono conservati presso il “Centre for Earthen Architecture”, CEA, presso la University of Plymouth, Regno Unito.
2.4.2 New Messico
In New Messico, il Dr. F.Wessling, ha condotto un’analisi sul comportamento termodinamico di una struttura muraria in terra cruda, tramite l’ausilio di un modello computerizzato da lui ideato.
Il valore dell’ isolamento dei mattoni di terra è stato oggetto di un grande dibattito fin dall’inizio della tecnologia moderna e delle norme tecniche stabilite sulla costruzione degli edifici.
In passato l’uomo aveva soltanto la capacità di percepire il maggiore o minor comfort di un ambiente e delle modifiche per poterlo migliorare. Ancora oggi in base alla percezione delle persone che abitano in case di terra, questi edifici sono considerati su scala mondiale edifici con un buon comfort interno66.
65
2002, TROMBETTA, “L’attualità del pensiero di Hassan Fathy nella cultura tecnologica contemporanea, Il luogo,
l’ambiente e la qualità dell’Architettura”, Rubettino Editore
66 1984, MACHENRY_PG, “Insulation and Thermal Mass Values”, cap.11 di« Adobe and Rammed Earth Buildings : desing and construction », New York, New York: John wiley & sons.
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Le persone che vivono o che hanno vissuto in case di terra hanno dichiarato spesso di usufruire in queste abitazioni di un soddisfacente livello di comfort. Questo dà luogo alla tradizionale credenza per cui le case di terra sono calde d’inverno e fresche d’estate, senza riscaldamento né aria condizionata. Questo potrebbe non essere proprio vero. Tuttavia i muri di terra, con la loro massa sono in grado di bilanciare gli sbalzi estremi di temperatura dell’aria esterna. Questo preciso bilanciamento può essere influenzato da diversi fattori. Il calore del Sole si accumula nella muratura nei giorni soleggiati anche quando la temperatura può essere relativamente bassa. La temperatura della superficie esterna dei muri in terra, quando questi vengono colpiti dalla radiazione solare, è spesso più alta della temperatura dell’aria esterna; il vento può ridurre questo effetto.
Lunghi periodi senza luce diretta del Sole, comporteranno anche un notevole effetto di raffreddamento. Pertanto, il microclima caldo/freddo di una casa di terra è dovuto in parte all’effetto della massa termica, ad ombreggiamenti o schermature naturali. Se siamo in grado di progettare un buon microclima interno, il materiale terra può risultare molto efficace.
I valori di trasmittanza termica dei muri di terra, testati tramite la Società Americana di Ingegneria per il riscaldamento e il condizionamento dell’aria, (American Society of Heating and Air Conditioning Engineers- ASHRAE), sono stati determinati in laboratorio, quindi senza l’influenza dei fattori esterni. I valori U, in condizioni stazionarie, determinati da ASHRAE e testati su due tipici muri in adobe sono i seguenti:
35 cm Muratura: calce intonaco esterno
adobe muratura
gesso intonaco interno 25 cm Muratura:
calce intonaco esterno
adobe muratura
gesso intonaco interno
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2.4.2.1 Dr. F.Wessling: test del 1975
In New Messico, il Dr. F.Wessling, ha condotto un’analisi del comportamento termodinamico di una struttura muraria in terra cruda. E’ stata considerata una muratura in adobe di 61 cm, isolata internamente con 7,5 cm di fibra di vetro e sottoposta alle condizioni invernali del New Mexico, dove la temperatura varia da -10° C a 20° C (per un periodo di 24 ore) in forma supposta sinusoidale. Il test è stato svolto impostando un periodo di 24 ore per un certo numero di giorni consecutivi, fino a raggiungere una costante di equilibrio.
L’obiettivo era quello di capire come vengono “sentite” all’interno dell’edificio le variazioni della temperatura esterna e analizzare il “peso” dell’adobe sull’attenuazione della temperatura esterna. L’isolamento è stato posizionato sul lato interno della parete ed è stata osservata la distribuzione delle temperature nello spessore murario fino all’interfaccia tra adobe ed isolamento. Di seguito sono riportati i risultati visibili dopo la prima ora del giorno.
. - 4,4°C (24°F) all’esterno del muro
. + 2,2°C (36°F) a 2,54 cm verso l’interno (1 in.) . + 6,6°C (44°F) a 5,08 cm (2 in.)
. + 9,44°C (49°F) a 7,6 cm (3 in.) . + 10°C (50°F) a 12,7 cm (5 in.)
. + 11,11°C (52°F) nell’interfaccia adobe-isolamento
La maggior parte dell’attenuazione si verifica nei primi 12 cm di muratura; a metà parete risulta del 6% rispetto alla temperatura della superficie esterna. E’ insignificante nell’interfaccia adobe-isolamento, poiché in questo punto della stratigrafia la temperatura varia meno di un grado. Quanto detto è riportato nel seguente grafico:
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parte sec ond a Grafico test 197567 671975, WESSLING_F, “Transient Thermal Response of Adobe”, da «Adobe news» n°6, Albuquerque –New Messico
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In rosso è evidenziato l’andamento della temperatura all’interno della struttura muraria, durante la prima ora del mattino.
Outside wall- (10,16 cm): attenuazione della temperatura esterna in 10,16 cm di adobe. Center of wall (30,48cm): andamento della temperatura a metà parete
Adobe-insulation interface: ulteriore attenuazione della temperatura interna alla struttura muraria ad opera dello strato isolante.
Il grafico riportato è presente per gentile concessione del Dr. Francis Wessling68, Professore presso il “Department of Mechanical and Aerospace Engineering di Huntsville”, Alabama
In base ad uno studio simile, condotto presso il National Bureau of Standards nel luglio del 1973, da Peary, Powell e Burch , (“Dynamic thermal performance of an Experimental Masonry Building”), che ha fornito risultati confrontabili, si potrebbe concludere che per ciò che riguarda la massa termica lo spessore ottimale della parete sarebbe di circa 30cm.
In risposta alla necessità di esaminare quali fossero i parametri che influenzano il comportamento termico delle pareti in terra cruda, il Dipartimento di Energia dell’Università del New Messico, ha svolto ulteriori studi per determinare i valori effettivi di trasmittanza termica. Uno studio condotto da Dr. L.W. Bickle and W. J. Van der Meer, “Effective U-Value” del 1978 presso l’Università del New Messico, ha riconosciuto la variazione del valore di trasmittanza termica delle murature al variare del loro orientamento, al variare degli elementi caratterizzanti il clima locale, al variare dell’effetto dell’assorbimento in relazione al colore della superficie muraria.
E’ stato elaborato un modello che tenesse conto del valore di U in condizioni stazionarie al quale sono stati aggiunti i fattori relativi al clima locale, all’orientamento del muro e l’effetto di
68Dr. Francis Wessling è stato il direttore associato del Consortium for Materials Development in Space at the
University of Alabama in Huntsville. E’ stato coamministratore del National Aeronautics and Space Administration Commerciale Space Center, collaborando su vari progetti per la NASA. Dr. Wessling ha lavorato sullo spazio e per lo Space Shuttle.
Inoltre, è stato project manager del progetto Giostra. Dal 1991 al 1994 è stato technical monitor per l’ Experiment Commerciale Transporter (COMET). Si è occupato anche di altre opere creative come la progettazione di hardware per i voli spaziali che hanno volato sullo Space Shuttle e sui razzi di ricerca.
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assorbimento della radiazione solare in relazione al colore del muro69. Ciò ha portato all’effettivo valore di trasmittanza termica, molto diversi dai valori rilevati in condizioni stazionarie.
Questo è quanto accade anche nel rilevamento del valore di trasmittanza delle strutture verticali opache dell’edificio denominato Casa Mancosu, del quale si parlerà più avanti: il flusso misurato porterà ad un valore di trasmittanza diverso dal calcolo stazionario effettuato utilizzando schede tecniche dell’adobe certificati da analisi di laboratorio.
2.4.2.2 Dr. David K. Robertson: test del 1981
Una revisione dello studio precedente è stato fatto successivamente presso l’Università del New Messico da Dr. David K. Robertson, “Expanded Revision of Effective U values”, nel febbraio del 198170.
In questa revisione sono stati migliorati i codici informatici, semplificati i dati meteo e lo studio è stato fatto sull’arco di 7 mesi (rispetto ai 6 giorni dello studio originario). Nel modulo semplificato le Regioni climatiche sono state definite da HDD (gradi giorno) e dai CDD (energia necessaria per il raffrescamento estivo).
I risultati di questo studio hanno confermato che gli effettivi valori di trasmittanza termica misurati in situ conferiscono un buon valore medio delle prestazioni termiche della parete e hanno un valore notevolmente inferiore rispetto ai valori di trasmittanza in condizioni stazionarie.
Qualsiasi componente dell’involucro edilizio costituisce un dispositivo di riscaldamento solare passivo, la cui prestazione è funzione dell’assorbimento della radiazione solare. L’effetto relativo alla massa termica dei muri di terra è stato oggetto di indagine del New Mexico Energy Institute, University of new Mexico.
Lo studio è stato condotto a Tesuque Pueblo (New Mexico), con una serie di strutture di uguali dimensioni e orientamento, accuratamente costruite in adobe con diverse varianti e altre strutture in materiale tradizionale in modo da poter essere confrontabili.
69 1984, MACHENRY_PG, “Insulation and Thermal Mass Values”, cap.11 di« Adobe and Rammed Earth Buildings : desing and construction », New York, New York: John wiley & sons
70
155
parte
sec
ond
a
Ogni struttura è stata costruita senza porte o finestre, con fondazioni e soffitti isolati, in modo che non troppi fattori esterni influenzassero la misura. Ogni struttura è stata monitorata considerando orientamento e temperature delle pareti, su varie posizioni della parete stessa. Alcune sperimentazioni hanno tentato di utilizzare l’energia in modo che la temperatura rimanesse costante: ovvero si è tentato l’utilizzo di deflettori solari per ridurre gli effetti della radiazione solare e per ottenere una più precisa misurazione del rendimento termico. Monitors esterni misuravano le condizioni al contorno al momento della prova: temperatura dell’aria esterna, velocità del vento, radiazione solare, fattori climatici che potessero influenzare la prova. Sono stati così ricavati i valori di trasmittanza termica delle pareti al variare dell’esposizione, del colore dell’intonaco e al variare dei GG su murature da 25cm e 35cm circa non isolate e su murature da 35cm isolate con polistirene.
(Valori da riportare al Sistema di misura Internazionale -SI)
27.2 16 Valori di trasmittanza della muratura in terra cruda da 35,5 cm
27.2 15 Valori di trasmittanza della muratura in terra cruda da 25 cm
156
parte sec ond aDalla valutazione dei risultati di questi esperimenti è stato osservato che71:
- l’effetto della massa termica non può essere troppo significativo ad eccezione dei periodi in cui l’oscillazione delle fluttuazioni di temperatura diurne è alta.
- la massa termica delle pareti assorbe e rilascia calore, creando uno sfasamento tra la temperatura interna ed esterna.
- misure preliminari indicano che la temperatura della superficie interna del muro tende ad essere una media delle temperature esterne, nell’arco delle 24 ore, con poche fluttuazioni giornaliere. La fluttuazione all’interno dell’edificio sarà influenzata dallo spessore della parete (per effetto della massa termica). Questa tende a raggiungere una stabilità ottimale a circa 30 cm di spessore. Tale stabilizzazione aumenta con l’aumentare dello spessore, anche per più di 24 ore durante tutto l’arco delle stagioni.
- le medie delle temperature sulla superficie interna sono leggermente superiori alla media in estate e leggermente più basse alla media in inverno.
Una risposta semplice per aumentare il valore di isolamento termico per i muri di terra si trova nell’utilizzo delle pareti doppie con una cavità vuota o riempita di isolante (muratura a cassetta). Questa configurazione è particolarmente comune nella costruzione di depositi di patate e barbabietole da zucchero, nelle fattorie del sud del Colorado72. Le temperature invernali in questa
71
1984, MACHENRY_PG, “Insulation and Thermal Mass Values”, cap.11 di« Adobe and Rammed Earth Buildings : desing and construction », New York, New York: John wiley & sons
72
come da articolo di cui sopra
27.2 17 Valori di trasmittanza della muratura in terra cruda isolata con polistirene sul lato esterno Muratura da 35,5 cm
157
parte
sec
ond
a
località possono raggiungere livelli bassi molto bassi, di -40 ° C. La pratica costruttiva si è mostrata di successo; molte di queste cantine fuori terra sono ancora in uso.
I depositi realizzati con il sistema a cassetta dotati di intercapedine ventilata (di circa 15 cm di adobe, 10 cm circa di intercapedine d’aria, 15cm di adobe), sono risultati positivamente efficienti. La soluzione con l’intercapedine riempita di materiale isolante, (pomice), si è invece rivelata catastrofica: l’umidità accumulata nel muro, per risalita capillare dal piede in cemento, (capillarità forse accentuata dalla pomice), ha causato il collasso della struttura muraria esterna in adobe (il doppio strato murario esterno). Mentre lo strato murario interno è rimasto intatto. Si trattava degli edifici sperimentali costruiti a Ghost Ranch in Abiquiu, New Messico.
In molti casi è necessario un ulteriore isolamento per le pareti di terra, preferibilmente sul lato esterno e per di più impermeabili all’acqua.
In tal modo, la trasmissione di calore attraverso la parete è ridotto e le proprietà termiche sono complessivamente migliorate. Il problema principale per l’applicazione dell’isolamento esterno sui muri di terra potrebbe essere la posa: i pannelli possono essere direttamente inchiodati al muro completando il fissaggio con dei tappi stagni; i chiodi devono inoltre penetrare il muro, con una certa angolazione e per un minimo di 4 cm. Un altro metodo di fissaggio del pannello è quello di utilizzare dei listelli di legno nella muratura per ancorarvi la coibentazione con una chiodatura sul legno stesso. Infine l’intonaco, se applicato sopra l’isolante tramite una rete di fissaggio avrà senz’altro più tenuta.
2.4.3 Francia
1984- 2010- Università di Grenoble-Lyon
La terra utilizzata per la costruzione è una miscela unica per ogni campione considerato, costituita da più categorie di grani, che le conferiscono una grande diversità nel suo aspetto, nel suo colore e nella sua tessitura. La terra fa parte della grande famiglia dei materiali porosi granulari, allo stesso modo del cemento: si tratta infatti di un calcestruzzo d’argilla. Non si tratta della terra presa in superficie, ma alla profondità minima di un metro e mezzo: è una miscela priva di humus, nella quale troviamo numerosi minerali che conducono ad un materiale resistente e stabile nel tempo. I metalli si arrugginiscono, il legno si deteriora, la pietra e il cemento sono chimicamente attaccabili: la
158
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ond
a
durabilità del calcestruzzo d’argilla, correttamente protetto dall’acqua, è sorprendente; il fuoco stesso può rinforzarla, senza creare incendi o collassi strutturali.
27.2 18 Calcestruzzo di Cemento, Calcestruzzo d’argilla73
Le diverse percentuali di ciottoli, ghiaia, sabbia, limo, argilla variano da una terra all’altra. Questo condiziona l’uso che verrà fatto di ogni terra, riportando ciascuna alla tecnica costruttiva più adatta; per esempio una miscela con ciottoli di una certa dimensione e equilibrata nel resto delle sue componenti è adatta alla tecnica del Pisè (terra colata a costipata in cassaforme lignee): un vero calcestruzzo naturale, molto resistente, ottenuto con un minimo di argilla perché sussista la coesione e non fessuri. La terra per la tecnica del mattone Adobe è meno ricca di ciottoli e ghiaia, più facile da modellare con le mani. La percentuale di sabbia è tale perché il materiale non fessuri. La terra utilizzata per la tecnica del Torchis è molto fine, totalmente priva di ciottoli e ghiaia. Viene colata con grande facilità; è un materiale che fessura, utilizzato diversamente dai precedenti come riempimento per ossature in legno. La miscela utilizzata per gli intonaci non contiene inerti. Sabbia limo e argilla sono presenti in quantità equilibrate. La quantità di sabbia, perché l’intonaco appaia uniforme e senza crepe è presente in quantità maggiore che per l’adobe. La miscela se ben composta non fessura, sebbene sia mescolata con maggiori quantità d’acqua rispetto alle altre tecniche. Esiste
73
2009, FONTAINE,ANGER, “Batir en terre. Du grain de sable à l’architecture”, Edition Belin, Citè de sciences et de l’industrie, Paris
159
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a
anche un tipo di terra non utilizzabile per la costruzione: è la terra priva di ciottoli, ghiaia e sabbia, con bassissimo contenuto d’argilla. Questo tipologia di terra è friabile e priva di resistenza.
Oltre a costituire il legante del calcestruzzo d’argilla, l’argilla stessa è ricca di proprietà che condizionano il comportamento termoigrometrico delle strutture murarie in terra cruda, come vedremo nelle successive fonti bibliografiche.
Tra tutti i componenti la miscela di terra l’argilla ha la particolarità, essendo un colloide, di fungere da materiale legante, così come il cemento, per il calcestruzzo di cemento. Su scala nanometrica, la presenza d’acqua capillare crea “ponti” di collegamento tra i “fogli” che costituiscono le argille. L’acqua, a questa scala, non evapora mai completamente, (per questo motivo la muratura, anche dopo la sua essicazione, è stabile e non crolla). L’umidità contenuta nell’aria che circonda la parete può condensare tra i fogli d’argilla, formando dei ponti capillari microscopici, di qualche nanometro, avvolgendo queste molecole, invisibili ad occhio nudo, in un film di particelle d’acqua sottilissimo.
27.2 19 Ponti capillari tra i grani di sabbia visti al microscopio elettronico74
74
2009, FONTAINE,ANGER, “Batir en terre. Du grain de sable à l’architecture”, Edition Belin, Citè de sciences et de l’industrie, Paris
Tra i grani di sabbia sono visibili le particelle (“plaquettes”) d’argilla e la loro azione legante: la distanza tra i due grani di sabbia è di 2 picometri, mentre i ponti capillari hanno distanze di circa 2 nanometri: il vero legante della terra è dunque l’acqua: l’argilla col suo effetto viscoso favorisce questi legami.
Grani di Sabbia
Particelle d’argilla (“plaquettes”)
Ponti capillari (elementi d’acqua)
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L’umidità contenuta nell’aria è sufficiente a legare le particelle d’argilla (les plaquettes) e ad assicurarne la loro coesione. In questo modo il muro di terra non è mai completamente secco: tra le componenti argillose c’è sempre un po’ d’acqua che non evapora perché è in equilibrio con il vapore acqueo contenuto nell’aria.
L’umidità contenuta nell’aria è sufficiente a legare le particelle d’argilla (les plaquettes) e ad assicurarne la loro coesione. In questo modo il muro di terra non è mai completamente secco: tra le componenti argillose c’è sempre un po’ d’acqua che non evapora perché è in equilibrio con il vapore acqueo contenuto nell’aria.
Oltre ad una funzione strutturale l’argilla gioca il ruolo di regolatore dell’umidità dell’ambiente interno. Una parte dell’acqua contenuta all’interno della parete evapora quando la temperatura esterna aumenta; la stessa acqua condensa al calare della temperatura esterna. La struttura della terra, su scala nanometrica, permette all’acqua qui contenuta di cambiare di fase: quando la temperatura aumenta quell’acqua assorbe parte del calore accumulato dalla parete, che si disperde con l’evaporazione. Quando la temperatura è più bassa, parte dell’acqua assorbita dall’ambiente condensa nella terra restituendo l’energia accumulata. Questi scambi di energia sono rilevanti. Questi meccanismi sono ancora oggetto di ricerca. Gli studi condotti sul materiale poroso “terra cruda” hanno dimostrato che per piccole percentuali di contenuto d’acqua (%w), dall’1 al 4%, il valore di lambda (l), registra deboli variazioni, mentre risultano, per le stesse % w, rafforzati i legami al livello macroscopico delle componenti argillose. Variazioni rilevanti di lambda si hanno in presenza di elevate temperature ed elevati contenuti d’acqua.75
Lo studio condotto dai centri di Ricerca in Francia, dagli anni settanta ad oggi concentra la propria attenzione sul comportamento igrometrico delle strutture murarie realizzate in terra cruda e sullo studio delle sue componenti mineralogiche (a contatto con l’acqua ogni minerale ha un differente comportamento termoigrometrico). La terra cruda, utilizzata come materiale da costruzione, è un materiale poroso granulare e polifasico: si tratta di un calcestruzzo d’argilla ricco di cavità e allo stesso tempo di forti legami macroscopici e microscopici instaurati tra i grani più sottili
75
2009, LAURENT_JP, ”Teneur en eau et transferts en milieu poreux: mesures et statistiques àl’echelle stationnelle”, Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE), Grenoble
161
parte
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a
(sabbia) e le parti fini argillose. L’argilla risulta essere elemento chiave del comportamento termico del mattone crudo, come risulta anche dagli studi condotti recentemente in Grecia. L’acqua
contenuta all’interno del materiale, sia allo stato liquido che di vapore influenza, in combinazione con l’argilla, sia il comportamento igrotermico che la sua resistenza meccanica.
27.2 20 Struttura molecolare dell’argilla76
Per la determinazioni dei parametri termici in un mezzo poroso granulare, (MPG), quale risulta essere la terra cruda utilizzata come materiale da costruzione, è necessario interrogarsi su:
1 -quale sia la struttura molecolare di un MPG
2 -qual’è il significato fisico dei parametri termici di un MPG
3 -qual’è la metodologia di misura dei parametri termici di un MPG.
76
2009, FONTAINE,ANGER, “Batir en Terre. Du grain du sable à l’Architecture”, Edition Belin. Citè de sciences et de l’industrie, Paris
Componente argillosa del mattone in crudo. Lettura al microscopio: si legge chiaramente la struttura dei fillosilicati, dal greco
phyllon = foglia
162
parte
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a
In relazione al punto 2, il ricercatore francese Jean Paul Laurent77, pone l’accento sull’importanza della determinazione dei valori termofisici apparenti ed equivalenti, indicando il metodo della loro determinazione. Ovvero lo studio dei parametri fisici di un MGP va affrontato in due parti: da un lato si analizzano le caratteristiche termiche globali, equivalenti a quelle di un mezzo omogeneo, (in rapporto ad una certa scala); dall’altro si studiano quali possono essere le correzioni da apportare ai coefficienti termici equivalenti, introducendo così, nel trasferimento del calore, elementi che non riguardano la pura fase conduttiva, ma elementi legati allo stato idrico del materiale.
2.4.3.1 Strumenti di misura dei parametri termici in regime transitorio: sonde ad immersione
Lo studio dei parametri termofisici sul campo è affrontato, sia dai francesi che dagli inglesi, tramite l’utilizzo di sonde a shock termico, costituite da uno o più elementi ad immersione, ai quali viene applicata una resistenza, e da una termocoppia. Il loro utilizzo ha il vantaggio di un metodo agevole nel trasporto sul sito e della velocità di rilevamento dei dati. L’utilizzo consiste nel forare il mattone di pochi millimetri, necessari all’installazione della sonda e nel riscaldamento della sonda per un tempo stabilito. L’MPG viene studiato secondo il seguente schema:
e(t) H(t, l, C,….) s(t)
entrata mezzo uscita
[Il mezzo, oggetto di studio, viene sollecitato da un segnale in entrata e(t);
si riceve la sua risposta alla sollecitazione attraverso un segnale di uscita s(t)]
La risposta in uscita dipende dalla conducibilità e dalla capacità termica del materiale: è dunque teoricamente possibile misurare simultaneamente questi due valori. Nella pratica questo si presenta molto complesso, perché in contemporanea è necessario conoscere anche Rc , la resistenza di contatto (tra sensore e materiale). Il valore della temperatura H, in rapporto alle tre variabili l, C,
771987, LAURENT_JP, ”Proprietè thermiques du matériau terre”, Cahiers n°2156 du : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), Paris
163
parte
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ond
a
Rc è estremamente variabile e il suo andamento non è lineare. La determinazione di lambda può essere affrontata adottando una regressione lineare sulla curva DT = f (ln t).
Per la determinazione della conducibilità termica in situ, risulta adatta la sonda con un elemento di immersione; mentre è possibile ottenere la capacità termica tramite un sonda con due elementi ad immersione.
I metodi delle sonde a shock termico, per la determinazione delle proprietà termofisiche dei materiali, sono riconducibili al metodo inverso trattato da W. J. Parker nello studio relativo a “Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity”, del 1960 (J. Applied Physics).
2.4.4 Italia–Grecia
1997, Università di Bologna-Atene
Lo studio riportato riguarda l’analisi termodinamica di edifici siti a Bucchianico, presso la provincia di Chieti78
Il comportamento termico degli edifici in terra cruda è stato affrontato con l’utilizzo di TRNSYS (programma di simulazione termodinamica sviluppato da Solar Energy Laboratory, Università del Wisconsis-Madison 1990): una struttura modulare facilita l'aggiunta al programma di modelli matematici non inclusi nella libreria standard di TRNSYS. Per questa indagine l’intero edificio è stato considerato come un’unica zona termica, (comprese le partizioni interne). I dati meteo su base oraria, forniti dalla stazione meteorologica COTIR, sono stati utilizzati per calcolare la temperatura dell’aria interna per due giorni rappresentativi, 21 gennaio e 15 luglio.
I dati meteo utilizzati sono stati:
. la temperatura dell’ambiente esterno (°C)
. la radiazione solare globale (W/m2)
78
1997-1998, FERRANTE_A, MIHALAKAKOU_G, tratto da: “Programma di ricerca europeo Training and Mobility
164
parte
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ond
a
. la radiazione solare diffusa (W/m2)
. l’umidità relativa (%)
27.2 21 Comportamento termico dell’edificio in terra
cruda in regime invernale (TRNSYS)
27.2 22 Comportamento termico dell’edificio in terra
cruda in regime estivo (TRNSYS)79
In figura 27.2 9 e 27.2 10 sono visibili i valori della temperatura dell’aria interna, nei giorni stabiliti in gennaio e in luglio, senza l’utilizzo di un impianto di climatizzazione. I grafici mostrano che la temperatura dell'aria interna ha un range da 9,4 a 14,9 ° C per il giorno rappresentativo di Gennaio, nel periodo precedente al restauro dell’edificio. Dopo il restauro, lo stesso edificio, soltanto con spessori maggiori della muratura, mostra temperature dell’aria interna con un range da 10,0 a 16,0 °C, nello stesso mese rappresentativo di Gennaio.
Nella stagione estiva, per il giorno rappresentativo di luglio, la temperatura dell’aria interna, prima del restauro, ha un range da 13,5 a 20,9°C; dopo il restauro varia da 13,0 a 20,0°C .
Questi risultati possono essere ancora più apprezzati se si considera che non soltanto non sono presenti impianti di climatizzazione ma all’interno del calcolo, sono stati tralasciati anche i guadagni interni.
79
1997-1998, FERRANTE_A, MIHALAKAKOU_G, tratto da: “Programma di ricerca europeo Training and Mobility
165
parte
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ond
a
Il metodo intrapreso si basa sulla combinazione del layout dell’edificio e delle caratteristiche climatiche del luogo:
2.4.5 Inghilterra
2000, Università di Plymouth’s -UK-
L’Università di Plymouth’s, in particolare la Scuola di Architettura e il relativo Centro di Architetture di Terra (CEA), ha effettuato uno studio sull’architettura vernacolare tipica del Devon.
Sono state studiate le proprietà termofisiche di alcuni edifici in terra cruda tramite l’utilizzo di sonde a shock termico80. Questa sonda è posta all’interno del materiale e riceve costantemente energia. L’aumento di temperatura della sonda dipende dalle proprietà termofisiche del materiale nel quale è applicata la sonda.
Con la registrazione dell’innalzamento della temperatura della sonda, in funzione del tempo per un certo numero di minuti, la teoria suggerisce che sia la conducibilità termica che la diffusività termica possono essere ottenute da queste misure; grazie alla brevità del tempo di misura i dati sono rilevati in condizioni di umidità costante.
L’aumento della temperatura T è funzione del logaritmo naturale del tempo di riscaldamento
trascorso. La curva associata a questo aumento presenta un tratto lineare. La pendenza di questa
retta è funzione della conduttività termica del materiale. All’interno del muro la sonda è stata sigillata ad un inerte con l’utilizzo di una resina adesiva. Dall’altro lato un coperchio di plastica protegge il cablaggio dei cavi di alimentazione e della termocoppia, montata a metà del riscaldatore. Una corrente continua alimenta sia il datalogger per il monitoraggio dei dati, sia il riscaldatore della sonda. I dati vengono registrati ogni secondo, per tutto il tempo di sperimentazione che si estende da 100sec prima dell’inizio del funzionamento del riscaldatore a 3600sec dopo la sua disattivazione.
La funzione Q, (ossia la curva delle temperature) si esprime con:
80
1960, PARKER_WJ, JENKINS, BUTLER, ABBOTT, “Flash methode of determining Thermal Diffusivity, Heat
166
parte sec ond a
F
t
D
t
C
t
B
t
A
21
ln
*
1
ln
che è vera dopo un certo periodo di tempo trascorso; in questo caso dopo un minuto.
Inoltre per periodi più lunghi, da 150 a 3000sec, il termine nell’equazione precedente,
t
1
e 21
t
può essere ignorato. In questo intervallo di tempo ci si aspetterebbe un grafico con una retta, dipendenza A, che intercetta sull’asse delle temperature la retta AB dove:
la retta è della forma:
1 2 1 2ln
4
t
t
Q
T
T
e dove:.
4
A
Q
ln
4
2
.
B
2rH
r
dove:T= temperatura della sonda
Q= potenza elettrica per unità di lunghezza (W/m)
= conduttività termica del mezzo in cui è immersa la sonda (W/mK) t= tempo (s)r = raggio della sonda (tubo acciaio 3 mm)
= costante di Eulero H= conduttanza termica]Eq. n°14
Eq. n°15
167
parte
sec
ond
a
27.2 23 Funzione Q : innalzamento della temperatura della sonda in funzione del tempo
Fonte: Bibliografia ICCROM: S.Goodhew, D.Short, L.Watson, School of Architecture-University of Plymouth-UK
Dal valore di A si ricava la conducibilità termica lambda.
Introducendo un parametro, Yb di Backwell, (radice quadrata del tempo di riscaldamento) si può ricavare il valore di conduttanza H che sostituito nell’equazione di B permette di ricavare la diffusività termica a.
Il calore specifico è stato calcolato come cs= l/(ar)
Secondo gli autori i risultati confermano le aspettative: i muri di terra mostrano un piccolo fattore di attenuazione e un lungo periodo di sfasamento.
Sono stati ricavati i valori di sfasamento dell’onda termica e attenuazione dei valori di temperatura esterna e confrontati i risultati con altri materiali edilizi (blocchi di cemento e laterizi)81.
812000, GOODHEW, GRIFFITHS, SHORT, WATSON, “Some preliminary studies of the Thermal properties of
Devon cob walls”, (tratto da “Terra 2000: 8thInternational Conference on the study and conservation of earthen
168
parte
sec
ond
a
27.2 24 Proprietà termiche delle strutture murarie in terra cruda
Risultati delle proprietà termiche delle strutture murarie in terra cruda, in funzione dello spessore. I calcoli assumono come resistenza superficiale interna 0,12 m2K/W e interna 0,06 m2K/W. Lo sfasamento e l’attenuazione sono determinati in un ciclo di 24 ore82.
2.4.6 Grecia
2009, Università di Creta
Sono state esaminate quattro miscele di terre differenti provenienti da Creta, dal punto di vista mineralogico, granulometrico e determinate le caratteristiche di resistenza meccanica e le proprietà termofisiche anche confrontando gli stessi campioni con la presenza o l’assenza di fibre di paglia. E’ stata inoltre studiata la velocità di assorbimento d’acqua delle miscele e il loro punto di saturazione.
- I quattro campioni di terra, utilizzati in questo studio hanno pesi specifici che variano da
822000, GOODHEW, GRIFFITHS, SHORT, WATSON, “Some preliminary studies of the Thermal properties of
Devon cob walls”, (tratto da “Terra 2000: 8thInternational Conference on the study and conservation of earthen
169
parte
sec
ond
a
1700Kg/m3 a 1800Kg/m3 per i campioni che contengono soltanto terra; da 850 Kg a 1700 Kg/m3 per quelli contenenti anche la paglia. Si nota inoltre che i campioni di terra “AG” e “AL” hanno un peso specifico simile, ma differenti valori di conducibilità termica, di 0,58W/mK il primo e 0,33W/mK il secondo: il loro valore di lambda è inversamente proporzionale al contenuto di argilla che va, rispettivamente dal 36% al 60%, ossia l’aumento di argilla
diminuisce il valore di lambda, come previsto.
Si osserva che, per campioni con peso specifico simile, il lambda può differire molto a seconda della mineralogia (argilla, sabbia, limo) o a seconda del rapporto, considerando il volume secco, terra-paglia. Si conclude pertanto che il raggruppamento di tali materiali soltanto secondo il loro peso specifico come avviene in letteratura, non è sufficiente a caratterizzare le proprietà termiche della terra.
27.2 25 Classificazione e mineralogia dei campioni di terra esaminati83
83 2009, ACHENZA, CORREIA, GUILLAUD, “Mediterra2009. Prima conferenza mediterranea sull’Architettura in
170
parte
sec
ond
a
27.2 26 Densità dei quattro campioni (SO, AG, GE, AL) in funzione del contenuto di paglia -volume “secco”-84 Fonte: Convegno “Mediterra2009”- T.Markopoulos; University of Creta
27.2 27 Densità dei quattro campioni (SO, AG, GE, AL), in ambiente col 100% di umidità relativa, in funzione del
tempo.
La saturazione avviene dopo circa 35 giorni. Fonte: Convegno “Mediterra2009”- T.Markopoulos; University of Creta
84
2009, 2009, ACHENZA, CORREIA, GUILLAUD, “Mediterra2009. Prima conferenza mediterranea
171
parte
sec
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a
27.2 28 Valori della conduttività termica registrata
I campioni AG e AL hanno densità simile, un contenuto di argilla rispettivamente del 36% e 60% e un valore di conducibilità termica molto diverso, che quindi diminuisce all’aumentare del contenuto di
argilla85
2.4.7 Riflessioni sui contenuti della Ricerca Bibliografica
Dagli studi e dalle conoscenze apprese risulta quanto segue:
- l’adobe è un materiale edilizio caratterizzato da un’elevata complessità: si tratta di un materiale poroso granulare e dunque polifasico
- in relazione ai suoi elementi costitutivi, (ciottoli, ghiaia, sabbia, limo, argilla), può essere interpretato come un calcestruzzo d’argilla nel quale l’argilla stessa assume la funzione di legante
- la determinazione delle sue caratteristiche termiche, per la natura del materiale non è di
85 2009, MARKOPOULOS, ROTONDO, PANTINAKIS, “Measurement of mechanical strenght, Thermal Conductivity
and moisture of earth samples from Crete, Greece, containing clay and straw for Architectural applications ”tratto da
172
parte
sec
ond
a
facile esecuzione. Dalla sezione di Ricerca Francese si evince il metodo di determinazione per il quale il materiale è studiato inizialmente nel suo stato “secco”, ricavando i parametri termofisici “apparenti” e successivamente nel suo stato “umido”, determinando i parametri fisici “equivalenti”, dalla sovrapposizione dei dati studiati allo stato “secco” e allo stato “umido”. La terra cruda “in opera” contiene un certo tasso di umidità: l’acqua è necessaria alla stabilità del materiale che non diventa mai completamente secco perché al suo interno, quel quantitativo d’acqua “costitutivo” del materiale stesso, (i ponti capillari visibili al microscopio su scala nanometrica), entra in equilibrio con l’umidità relativa dell’ambiente circostante.
- per una precisa valutazione delle proprietà termofisiche del materiale, è emerso dagli studi recenti condotti sia in Francia che in Inghilterra, l’utilizzo delle sonde a shock termico, che non utilizzano altro che il metodo inverso per la rapida determinazione della diffusività termica e della capacità termica. L’utilizzo delle sonde è favorito dal loro agevole trasporto sul sito per le misure in opera; dalla rapidità della misura e dalla conseguente non influenza di rilevanti migrazioni di umidità contenuta nel materiale, durante la prova.
- le problematiche e i vantaggi dell’utilizzo di questo materiale fin’ora emersi sono:
a- l’alto valore di conducibilità termica rilevata che non gli permette di raggiungere i limiti di trasmittanza termica imposti dalla normativa (aspetti invernali sfavorevoli). Tuttavia, la temperatura all’interno degli ambienti, durante la stagione invernale si rivela sempre al di sopra della media delle temperature esterne giornaliere.
b- il materiale si comporta come un regolatore igrometrico naturale: assorbe velocemente umidità quando il tasso dell’umidità relativa è molto alto; rilascia altrettanto velocemente quando l’ambiente interno risulta troppo secco. Questi scambi mettono in gioco rilevanti quantitativi di energia, sotto forma di calore latente, in presenza appunto dei cambiamenti di fase. Le relazioni che legano la Temperatura e l’Umidità Relativa al funzionamento di
173
parte
sec
ond
a
questo materiale e della sua capacità di regolatore dell’umidità, sono tutt’ora oggetto di studio di numerosi ricercatori. Gli studi condotti su questo argomento fin’ora ci dicono che:
i. per basse percentuali di acqua (W,%) e basse temperature (T,°C), l’effetto sulla conducibilità termica è irrilevante; accede il contrario con alti valori di W e T. ii. l’acqua contenuta nel materiale migliora la sua capacità coesiva
iii. il rilascio e l’assorbimento di umidità migliora il benessere abitativo degli ambienti interni, mantenendo il valore di RHi sempre nella zona di comfort. (ciò si può notare anche dall’analisi del benessere termico secondo normativa, effettuato sull’edificio Casa Mancosu, analizzato nelle successive sezioni)
iv. tra i parametri che governano il funzionamento igrotermico del materiale sono presenti:
W(%) : contenuto d’acqua massimo del materiale
Dw(m2/s): diffusività idrica
Entrambi questi parametri sono determinabili in Laboratorio, per via sperimentale; in particolare Dw indica la velocità di assorbimento del mattone per capillarità
c- Determinante risulta il ruolo svolto dalla componente argillosa:
è necessario conoscere la composizione chimica di questa fase, perché i minerali argillosi (“clay”), si comportano in rapporto all’acqua presente nel materiale in maniera differente, (maggiori effetti fessurativi o al contrario maggiori effetti coesivi che possono determinare minori vuoti d’aria). Dagli studi condotti in Grecia risulta fondamentale conoscere la percentuale dell’argilla presente nella miscela: la sua maggiore o minore quantità influisce rispettivamente in maniera positiva o negativa sul valore di lambda. Per campioni di uguale densità ma di miscele di terra differenti, laddove la percentuale di argilla è maggiore il lambda è più basso; laddove la percentuale di argilla è minore il lambda è più alto. Questo ci informa dell’incompletezza dei dati presenti in letteratura, dove al valore di densità e conducibilità termica andrebbe affiancata la percentuale di argilla presente per capire nella sua interezza il funzionamento del materiale.
