Foto archivio progetto IsolMAX

Innovazione

Edilizia 4.0

Edifici in acciaio in climi estremi: prestazioni energetiche, strutturali e di comfort indoor

12 novembre 2019
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di Rossano Albatici
Professore ordinario del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM) dell’Università di Trento.

Il settore dell’edilizia è cambiato notevolmente negli ultimi quindici anni, andando incontro a trasformazioni radicali dovute al nuovo paradigma che possiamo semplificare con la parola green il quale, partendo dal criterio di sostenibilità ambientale introdotto dal Rapporto Brundtland nel 1987, è stato declinato con leggi e norme tecniche via via sempre più specifiche.

Di recente è stato introdotto il concetto di Edilizia 4.0 che sottende un nuovo approccio al settore delle costruzioni per rispondere alla domanda di efficienza in termini di produttività e di qualità del costruito in ambito energetico e ambientale, attraverso l’impiego di tecnologie digitali e di un approccio integrato e circolare.

In questo panorama, l’edilizia off-site, che prevede la realizzazione degli elementi costruttivi dell’edificio in stabilimento e poi il trasporto e l’assemblaggio in cantiere sul modello dell’industria manifatturiera, offre evidenti vantaggi in termini di costi, sicurezza e qualità del prodotto finale. Uno dei sistemi costruttivi impiegati nell’edilizia off-site è il CFSF (Cold Formed Steel Frame) col quale si realizzano setti e solai con montanti e traversi in acciaio sagomato a freddo.

È in quest’ambito che è nata la ricerca IsolMAX, proposta dalla Cogi Srl di Calliano (Trento) assieme all’Università di Trento e alla Fondazione Bruno Kessler. Lo scopo principale della ricerca è quello di analizzare le prestazioni energetiche, di comfort indoor e strutturali di edifici in acciaio realizzati con sistemi a secco CFSF in condizioni climatiche estreme − considerate spesso terreno poco adatto per l’edilizia off-site − ossia caratterizzate da inverni rigidi, estati calde e notevoli escursioni giornaliere di temperatura.

La ricerca mira a definire linee guida progettuali per elementi costruttivi di involucro e per sistemi impiantistici in unità abitative che siano efficienti e confortevoli con qualsiasi temperatura esterna; ha anche lo scopo di valutare il comportamento in esercizio di elementi strutturali e di finitura al variare della temperatura di esercizio, soprattutto con riferimento alle problematiche di accoppiabilità e manutenzione. I risultati della ricerca saranno direttamente spendibili nel nostro Paese così come in altre realtà europee ed extra-europee, caratterizzate da condizioni climatiche molto differenti fra loro.

A tal fine, è stato progettato un edificio residenziale di 80 m2 a un piano, realizzato con il sistema steelMAX® di Cogi e costruito a Barnaul, in Siberia meridionale nella regione russa dell’Altai, con la collaborazione della locale Polzunov Altai State Technical University. La città di Barnaul è caratterizzata da temperature medie invernali minime di -21°C (con punte di -35°C) e medie estive massime di 26°C (con punte di +34°C) e costituisce un banco di prova di assoluto interesse.

L’edificio, la cui struttura è stata realizzata interamente in Italia e posta in opera da un team di tecnici italiani e russi in 9 giorni, è stato terminato in meno di due mesi e mezzo ed è costituito da un involucro altamente performante, da un sistema di riscaldamento a pavimento a bassa temperatura e da un sistema di ventilazione meccanica controllata gestito da sensori di rilevazione di CO2 posti nelle stanze.

Si tratta di una tecnologia che in Europa è ultimamente utilizzata per gli edifici NZeb: edifici a energia quasi zero, standard che sarà obbligatorio nel settore residenziale per le nuove costruzioni a partire dal 1.1.2021. Questa tecnologia che è del tutto nuova per il mercato russo, caratterizzato ancora da edifici energivori, molto disperdenti e con sistemi di riscaldamento essenzialmente a radiatori.

L’edificio è dotato di un sistema di monitoraggio in continuo gestibile da remoto (la cui architettura è stata progettata assieme alla Enerconsult Srl di Brescia) che permette di controllare, registrare e visualizzare in tempo reale le prestazioni termiche, impiantistiche e strutturali della costruzione. Inoltre, nei pressi dell’edificio è stata posizionata una stazione meteo per rilevare i parametri climatici locali, fondamentali per interpretare correttamente i risultati del monitoraggio che saranno incrociati con gli output delle simulazioni dinamiche al calcolatore.

L’edificio è stato ufficialmente inaugurato il 13 settembre scorso alla presenza del rettore della Polzunov Altai State Technical University e dei rappresentanti dei partner italiani e russi. L’attività di monitoraggio è iniziata a ottobre e sarà condotta sia con edificio a vuoto sia realmente abitato, al fine di comprendere il funzionamento della struttura in termini assoluti e come l’utente ne modifica le prestazioni, con una gestione personalizzata, per raggiungere il massimo stato di comfort indoor.

La ricerca IsolMAX è co-finanziata dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR 2014-2020), dal Governo Italiano e dall’Assessorato allo Sviluppo Economico, Ricerca e Lavoro della Provincia autonoma di Trento.


Construction 4.0
Steel frame constructions in extreme weather conditions: energy performance and indoor comfort

by Rossano Albatici
Full Professor of the Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering (DICAM) of the University of Trento.

The construction industry has evolved considerably in the last fifteen years, with radical changes brought about by the new ecological paradigm that adopted the environmental sustainability requirement theorized in the Brundtland report in 1987, which then further developed through technical regulations and standards that gradually became more and more specific.

The idea of Construction 4.0 is an even more recent development: it entails a totally different approach to construction to respond to the demand for energy and environmental efficiency with high-performing, quality buildings, using digital technologies and an integrated, circular model.

In this context, off-site construction – the technique of manufacturing the components of the building structure off-site to then transport them for on-site assembly – which is common in the manufacturing industry, has many advantages in terms of costs, safety and quality of the final product. That is why off-site construction is often combined with cold-formed steel framing (CFSF) for the creation of vertical and horizontal structural elements for walls and floors.

IsolMAX, the research project conducted by Cogi Srl from Calliano (Trento), with the University of Trento and Fondazione Bruno Kessler, is based on these premises. The main goal of the project is to examine the energy and structural performance and indoor comfort of dry constructions using cold-formed steel framing in extreme weather conditions – which are often seen as a disadvantage for off-site constructions – and specifically with very cold winters, hot summers, and significant temperature variations.

Researchers also aim to define design guidelines for external cladding and insulation elements and systems and fixtures in residential units that must meet efficiency and comfort requirements all year round; they will also assess the performance of structural and finishing elements while the building is in operation at different temperatures, paying special attention to CFS connections and maintenance issues. The results of the study will be useful both in our country and in other European and non-European countries, in a wide range of climatic conditions.

To carry out the project, we have designed an 80 square meter, one-storey, residential unit, using the steelMAX® system by Cogi, and we built it in Barnaul, southern Siberia, in the Altai region, with collaboration from the Polzunov Altai State Technical University. The city of Barnaul, with an average minimum temperature in the winter of -21°C (lowest is -35°C) and an average maximum temperature in the summer of 26°C (with peaks of +34°C), is an ideal testing ground.

The structure of the building was entirely built in Italy and was assembled on-site by a team of Italian and Russian technicians in 9 days, while the overall construction took less than two and a half months to complete. The building has high performance exterior cladding, low temperature floor heating, and a mechanical ventilation system managed by CO2 sensors in the rooms.

These technologies are becoming the norm in Europe, where they are used in nearly zero-energy buildings, and they will be compulsory for new residential constructions from 1 January 2021. But they are rather new on the Russian market, which still has mainly inefficient, energy consuming buildings with heating systems mostly based on radiators.

The building is equipped with a remote-controlled continuous monitoring system (designed with Enerconsult Srl from Brescia) with which you can monitor, record and programme the heating and other appliances in real time. A weather station was positioned not far from the building to observe local climate parameters, which are fundamental to correctly interpret the data collected through monitoring that will be cross-examined with the outputs of computer dynamic simulations.

The building was officially delivered on 13 September in a ceremony that was attended by the Rector of the Polzunov Altai State Technical University and by representatives of the Italian and Russian partners. The monitoring started in October and will be carried out both with an empty building and when it is inhabited, to understand how it performs when empty and when users customize the temperature and other to their preference to obtain the best indoor comfort.

IsolMAX has been co-funded by the European Regional Development Fund (ERDF 2014-2020), the Italian government and the Department for Economic development, research and employment of the Autonomous Province of Trento.

[Traduzione di Paola Bonadiman]