La progettazione degli involucri a cuscini in ETFE

La progettazione degli involucri a cuscini in ETFE

L’involucro a cuscini in ETFE è composto da 3 diversi subsistemi: il sistema di profili di aggancio alla carpenteria, il sistema di gestione dell’aria e il cuscino in ETFE vero e proprio. In questo articolo analizzaremo nel dettaglio questi tre sistemi con l’obbiettivo di chiarire i principi chiave per progettare gli involucri a cuscini in ETFE. Per una visione più completa si suggerisce la lettura dell’articolo https://www.macotechnology.com/prodotti/etfe-materiale/

La sottostruttura per involucri in ETFE

  1. Nella progettazione della sottostruttura vanno tenute in considerazione sempre 2 aspetti: la dimensione del cuscino in ETFE che non deve interferire con la sottostruttura stessa. Come regola base si deve considerare che un cuscino in ETFE spancia tra l’8 e il 12% della luce corta libera, per ogni lato.
  2. la necessità di avvitare i profili di aggancio, solitamente attraverso staffe a T o a U presaldate sui profili strutturali stessi. Come punto di partenza si considerino sempre staffe alte almeno 100 mm al fine di consentire di avvitare le viti con chiavi a cricchetto in modo agevole.
  3. i carichi che si traferiscono dai cuscini in ETFE alla carpenteria sono di 2 tipi: A) carichi di pretensione, dovuti alla tensione del film introdotta dalla pressione interna e B) carichi dovuti agli agenti esterni quale vento e neve che passano dal cuscino alla sottostruttura lingo la direzione del film stesso. Andranno anche tenuti in considerazione scenari in cui i cuscini sono totalmente sgonfi ed eventualmente carichi di acqua.

I profili di aggancio dei cuscini in ETFE

I profili di aggancio sono sistemi pensati per la connessione tra la sottostruttura (in acciaio, calcestruzzo, legno o allumino) e la parte in film in ETFE vero e proprio. Esistono vari tipi di profili che possono fare questa funzione sul mercato sebbene solitamente le aziende che progettano e forniscono ETFE hanno sviluppato profili e sistemi su misura. Questi profili differiscono tra loro di poco sebbene l’evoluzione tecnologica nel campo sia in continua evoluzione. In particolare il profilo di supporto ai cuscini in ETFE deve rispondere alle seguenti caratteristiche:

  • resistenza alla flessione, al fine di ridurre gli agganci alla sottostruttura
  • allo stesso tempo le barre non devono essere eccessivamente rigide in sia per limitare il peso e il costo ma soprattutto per permettere di essere curvate o torte (a mano o a macchina) al fine di realizzare le forme complesse tipiche di della tecnologia a cuscini in ETFE
  • taglio termico tra essi stessi e la sottostruttura attraverso spessori in materiale plastico totale tenuta all’acqua attraverso guarnizioni in EPDM
  • capacità di gestire snodi tridimensionali a 2,3,4 ma anche 5 vie, tipici delle geometrie libere che impiegano questo tipo di tecnologia.

I profili di aggancio esistono in due tipologie: doppia e singola.

 

Nel caso di giunti a diverse vie e forme tridimensionali della supeficie da coprire, entra in gioco la necessità di realizzare sistemi precisi al fine di garantire la tenuta dell’acqua. Ecco che diventa preziosa la progettazione meccaniche in 3d al fine di prevedere con precisione cosa accade nei punti di intersezione delle barre. Questa problematicha si ha sia nel caso di profili singoli che, in forma maggiore, con i profili doppi. Nel primo caso, la soluzione può essere trovata facendo torcere le barre lungo la loro asse. Nel secondo caso, data l’inerzia del profilo, il limite geometrico è più stringente e spesso è necessario realizzare giunti saldati ad hoc per ogni snodo.

Il profilo doppio permette l’aggancio di cuscini su entrambi i lati dello stesso. La sottostruttura consiste in staffe a T o U che permettano di avvitare il profilo ad essa. Nei giunti sono necessarie piastre a diverse vie che permettano l’aggancio del profilo nelle varie direzioni richieste. Queste staffe e questi giunti devono essere progettati da chi fornisce il sistema di involucro in ETFE in quanto da essi dipende la perfetta tenuta del sistema. L’acqua infatti scorre sul profilo stesso che diventa il canale di gronda tra un cuscino e l’altro. Al di sotto del profilo doppio solitamente viene installata una grondaia di sicurezza con la funzione di raccogliere eventuali piccole infiltrazioni e la condensa che potrebbe crearsi sulla superficie dell’alluminio stesso.

Per quanto riguarda invece il profilo singolo, esso necessita di una sottostruttura più complessa che solitamente consiste in una flangia che segue tutto il perimetro del cuscino. Questa flangia, saldata in continuo o impremeabilizzata, forma il canale di gronda che raccoglie l’acqua piovana che scorre dal cuscino. In questo caso, quindi, non è il profilo a dover garantire la tenuta d’acqua bensì la sottostruttura stessa.

Da questa breve descrizione si evince chiaramente che di solito, il sistema a doppio profilo è un risparmio in termini di peso e di costi per la sottostruttura sebbene la tenuta dell’acqua sia totalmente demandata alla progettazione e installazione dell’involucro leggero che non può essere che perfetto in ogni sua parte. Al contrario, nel caso di profilo singolo, il costo dell’involucro in ETFE può abbassarsi ma sale il costo della carpenteria di supporto che deve essere realizzata con precisione e a regola d’arte.

Il sistema di gestione dell’aria

I cuscini in ETFE rispondo ai carichi neve e vento grazie alla pretensione introdotta dalla sovrapressione interna. Ogni progetto deve essere dotato di un soffiatore che insuffla costantemente aria all’interno dei cuscini attraverso tubazioni che devono raggiungere ogni cuscino. Il sistema di gesione dell’aria si compone quindi di 3 sub sistemi: A) il gruppo soffiante, B) i tubi di distribuzone che collegano la macchina ai cuscini, C) le valvole di immissione e di scarico/sovrapressione contate sui cuscini.

Il gruppo soffiante.

La macchina soffiante per involucri in ETFE deve essere dimensionata a seconda della superifice e del volume dell’involucro in oggetto. Maggiore è la dimensione e il volume da mantenere il pressione, maggiore sarà la portata della macchina da installare. La macchina può variare da dimensioni piccole, per esempio 1mx0.8mx0.4m dal peso di 35/40kg a gruppi soffianti di 2mx1mx0.8m dal peso di circa 200 kg e si compone di diversi elementi. I principali sono:

  • il gruppo ventilante, solitamente 2 ventole studiate in modo che la seconda possa entrare in funzione in caso di forte vento o neve o come backup in caso di rottura della prima.
  • il deumidificatore, necessario ad evitare che si crei condensa all’interno dei cuscini
  • la gestione elettronica del sistema attraverso sensori di pressione, stazioni meteo e/o connessioni esterne o per il controllo da remoto.

La macchina ventilante è sempre accesa e immette aria nel sistema che, attraverso le valvole di sovrapressione, rimane in equilibrio alla pressione di progetto. Il sensore ha il compito di comandare le velocità della ventola a seconda dei paramteri programmati.

Il sistema di distribuzione dell’aria

L’aria viene portata dalla macchina soffiante ad ogni cuscino attraverso tubi che possono essere in materiale rigido (alluminio/pvc) o flessibile. Questi canali sono solitamente integrati all’interno o a fianco della sottostruttura. In prossimità dei cuscini il canale presenta uno stacco che lo collega tramite tubo flessibile trasparente al film in ETFE. Il canale dell’aria è solitamente progettato in settori, indipendenti tra di loro provvisti di apposite valvole a tenuta che permettano di isolare, nell’evenienza, aree danneggiate o con grosse perdite di volumi d’aria. Questi sistemi permettono anche il gonfiaggio progressivo della struttura durante il montaggio. All’interno di uno o più diramazioni viengono anche posati i tubi che portano il segnale ai sensori, responsabili della corretta regolazione della pressione in fase di esercizio.

Le valvole

Le valvole presenti sui cuscini in ETFE sono di due tipi: valvole di immissione e valvole di sovrapressione/sfiato. Le prime variano in diametro dai 35 agli 80 mm a seconda del volume dei cuscini stessi. La dimensione più diffusa è 50 mm. Le valvole di sfiato sfruttano membrane forate che permettono l’uscita dell’aria in modo variabile a seconda della tipologia e delle necessità.

I cuscini in ETFE

Finlamente tutto è predisposto per accogliere il protagonista dell’involucro leggero e trasparente: il cuscino in ETFE. Il cuscino può essere confezionato a camera singola (2 layer) o doppia (3 layer) ma a seconda delle necessità i layer possono aumentare fino ad arrivare a 5 (4 camere). I layer hanno diverse funzioni:

  • aumentare l’isolamento termico dell’involucro
  • offrire maggiori prestazioni in termine di filtraggio della luce, potendo stampare diversi layer in modo diverso
  • offrire maggiore resistenza strutturale in caso di forti carichi vento ma soprattutto neve.

La forma del cuscino si ottiene attraverso il processo di form finding a cutting pattern tipico delle tensostrutture. I layer sono quindi confezionati nella forma voluta riducendo al massimo la possibilità di inestetismi dovuti a grinze e senza stressare il film con carichi concentrati. Cruciale è la fase di compensazione ossia la riduzione delle misure in fase di produzione al fine di introdurre in fase di montaggio quella pretenione necessaria a distendere bene il film. I layer sono quindi uniti tra loro a formare un perimetro chiuso e bordato con un keder plastico che permette l’aggancio ai profili in alluminio.

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