THERM STEP BY STEP 01

Esercizio guidato con Therm per il calcolo della trasmittanza termica lineica in una connessione ad angolo tra due pareti isolate con pilastro.

INTRODUZIONE

L’esercizio guidato con Therm prenderà in considerazione l’esame di una connesione ad angolo delle pareti di un edificio al fine di verificare la presenza di un ponte termico e conseguente dispersione termica.
Sia dato lo spigolo esterno di un edificio. Le due pareti che si incontrano ad angolo sono realizzate in laterizio forato intonacato. La giunzione ad angolo si caratterizza per la presenza di un pilastro in cemento armato.

Il piano di sezione orizzontale considerato si estende partendo dallo spigolo interno per dmin = 1035 mm (lunghezza maggiore tra 1 ml e 3 volte lo spessore della parete 345 mm)
L’altezza è considerata convenzionalmente pari a 1000 mm ma non ha riscontro nel disegno in Therm che sarà bidimensionale.

La stratigrafia del paramento murario prevede uno strato di intonaco interno di spessore 20 mm, un primo strato in blocchi di laterizio forato spessore 100 mm, un’intercapedine con 50 mm di lana minerale, un secondo strato sempre in laterizio spessore 150 mm e l’intonaco esterno spessore 25 mm. Il pilastro posto nell’angolo è quadrato e misura 300 mm per lato.

DEFINIZIONE DEI PIANI DI TAGLIO – NORMA UNI EN ISO 10211:2018

Nel rappresentare la geometria che il programma utilizzerà per il calcolo, è fondamentale prendere confidenza con i piani di taglio. In parole molto semplici, ipotizzando che il ponte termico si troverà nell’angolo, devo sapere a quale distanza interrompere la parete e considerare in quel punto la superficie adiabatica.

Per stabilire il piano di taglio adiabatico si ricorre alla norma UNI EN ISO 10211:2018 che indica la distanza minima dal nodo (angolo nel nostro caso) pari a dmin.

dmin vale:

• corrisponde al piano di simmetria se questo è posizionato a distanza inferiore a dmin dal nodo;
• almeno alla distanza dmin dal nodo (elemento centrale) se non ci sono piani di simmetria più vicini;

dmin = è la dimensione maggiore tra 1 ml e 3 volte lo spessore dell’elemento considerato (spessore parete nel nostro caso).

STUDIO PRELIMINARE DELLA SEZIONE

Individuata la necessità di verificare la presenza o meno di un ponte termico in una parte dell’involucro di un edificio, volendo utilizzare il software Therm, il punto di partenza sarà disegnare con cura la geometria del nodo da indagare. Sottovalutare il disegno infatti potrebbe portare a frustrati situazioni con relative perdite di tempo. Per consigni utili sul disegno vedi la sezione del manuale di Therm in questo sito qui. Per chi desiderasse approfondire le tecniche di disegno si rimanda anche alla guida in inglese del programma sul sito del Berkeley Lab.

Si raccomanda la necessità di seguire la normativa nell’individuare i piani di taglio (come visto in precedenza) per avere risultati attendibili. Anche l’attenzione a come si disegnerenno i vari strati ci risparmierà potenziali errori in fase di elaborazione. É sconsigliato disegnare strati troppo sottili e geometrie troppo complesse. Il disegno dovrà risultare il più semplice possibile.

Nel presente esercizio è fornito un file DXF scaricabile alla fine della pagina, con la geometria già disegnata che sarà sufficiente importare. Altro consiglio che mi sento di fornire sopratutto all’inizio è quello di preparare uno schema dei vari passaggi da usare come lista di controllo. Non richiede troppo tempo e aiuta a non dimenticare fasi importanti, fissandone al contempo la procedura.

DEFINIZIONE DATI NECESSARI PER L’ELABORAZIONE

Sapendo che:

La località dell’edificio è Trento
La direzione del flusso è orizzontale
Finalità della simulazione è conoscere valore ponte termico per definire dispersioni termiche

I dati relativi alla temperatura esterna si ricavano dalla norma UNI 10349-1 il dato che interessa ai fini del calcolo è quello della temperatura esterna media mensile del mese più freddo

Temperatura esterna = 1 °C
Temperatura interna = 20°C

I dati relativi alla resistenza superficiale si ricavano nel caso di ponte termico per indagine dispersione termica dalla norma UNI EN ISO 6946.
Coefficiente scambio termico superficie esterna con flusso orizzontale = 25 W/mq.k
Coefficiente scambio termico superficie interna con flusso orizzontale = 7,69 W/mq.k

I dati relativi ai materiali saranno facilmente individuati nelle schede tecniche/certificati dei produttori ma anche da altre fonti (vedremo più avanti i valori da utilizzare nell’esercizio) si tratta comunque di reperire:

• Conducibilità termica W/m.k
• Emissività

Definita la geometria (quindi gli spessori dei materiali) e in possesso dei dati di cui sopra saremo pronti per produrre l’analisi con il programma Therm.

DISEGNO DELLA SEZIONE

La prima operazione che consiglio è prepara il file di Therm. Predisporre il file significa aprire il programma, aprire un nuovo file, impostare/verificare unità di misura e regolare alcuni parametri funzionali al calcolo e salvare attribuendo un nome.

1. Aprire il programma Menu file quindi Save as immettere nome del file desiderato e salvare;
2. Assicurarsi che le unità di misura siano mm e celsius eventualmente agire sul pulsante Switch Unit per cambiare, della barra di stato principale oppure menu options -> Switch Units;
3. Aprite la finestra di dialogo Preferences dal menu Options, attivate la scheda Therm File Options e impostare i valori per i campi Maximun % Error Energy Norm sostituendo il valore 10 con 2 e Maximun Iterations sostituendo il valore 5 con 20, confermate con ok.
4. Salvate il file

I campi da modificare riguardano due parametri:

Maximum % Error Energy Norm:
Determina la percentuale di Error Energy Norm concessa. THERM processerà la simulazione più volte fino a quando questo valore sarà raggiunto.
In linea generale, numero più basso rispetto al valore di default (10) aumenta l’accuratezza del calcolo.

Maximum Iterations:
Specifica il numero massimo di volte che il programma modificherà la mesh e reitererà il calcolo. In questo caso un valore maggiore aumenta la precisione.

NB: La spiegazione è volutamente semplificata per fornire un inquadramento generale funzionale alla presente esercitazione. Per una più approfondita comprensione dei due parametri si rimanda alla documentazione a corredo del software.

IMPORTARE FILE DXF

Dopo aver preparato il nostro file, il passo successivo consiste nel disegnare la geometria della sezione del dettaglio costruttivo che vogliamo analizzare. In questa esercitazione si tratterà di importare nel software un file DXF precedentemente preparato (con programma terzo) e autoconvertirlo per renderlo direttamente utilizzabile.

• Menu file -> Underlay dalla finestra di dialogo che si apre agite sul tasto browse e selezionate dalla finestra apri di windows il file da caricare desiderato (nel nostro caso angolo.dxf);
• A questo punto abbiamo comunicato al software il percorso del file da caricare come sfondo, volendo aprofittare della possibilità di usare il disegno senza ricalcarlo spunteremo la casella autoconvert quindi confermiamo.

• Il file caricato (insieme di poligoni adiacenti) dovrebbe apparire come nella figura sotto;.

• Chiediamo ora al programma di disegnare la linea di bordo alla quale saranno successivamente associate le condizioni al contorno. Questa operazione è possibile in alternativa agendo direttamente sul tasto BC o dal menu Draw -> boundary conditions. Questa operazione permette una prima verifica che il modello geometrico convertito sia privo d’errori. Se il file dxf è stato disegnato correttamente il bordo sarà disegnato, diversamente, una finestra informerà la natura del problema riscontrato. Nel nostro caso ad esempio il software informa che ci sono punti della geometria più vicini del valore di tolleranza e propone una soluzione di rettifica automatica che noi accetteremo e confermeremo. A questo punto i bordi sono disegnati ed il modello è pronto.

Nel caso specifico il software ci avvisa che è in grado di aggiustare la geometria in modo automatico. Questo non è detto che accada sempre, potrebbe infatti essere necessario ripetere l’operazione di disegno della sezione in formato DXF e quindi ricaricarla.

ATTRIBUIRE MATERIALI ALLA GEOMETRIA DELLA SEZIONE

Ottenuta la rappresentazione geometrica del nodo construttivo in esame, procediamo ad attribuire ai vari poligoni che caratterizzano la stratigrafia, i corrispondenti materiali.
Per fare questo sarà necessario creare i materiali e salvarli nella corrispondente libreria quindi associarli ai poligoni. I valori di conducibilità termica che definiscono i materiali sono mostrati nella figura sotto.

Ricordiamo che il disegno da importare deve essere prodotto in mm in scala 1:1 in modo da risultare utilizzabile in Therm.

• Apriamo la finestra di dialogo Material library, menu Draw. I materiali presenti nella libreria sono accessibili dalla finestra a discesa e selezionandoli, in solids propeties appaiono i valori di conduttività (condutivity) e emissività (emissivity) corrispondenti.

I materiali che dobbiamo creare sono i seguenti:

_Cemento armato
Conduttività = 2,30 W/m.k Emissività =0,9

_Intonaco
Conduttività = 0,90 W/m.k Emissività =0,9

_Laterizio
Conduttività = 0,36 W/m.k Emissività =0,9

_Lana minerale035
Conduttività = 0,035 W/m.k Emissività =0,9

NB: L’emissività dei materiali da costruzione non metallici è stato assunto al valore 0,90 valore normalmente considerato nella letteratura tecnica.

• Creiamo i materiali che caratterizzano il nostro modello geometrico. Tasto New immettiamo il nome desiderato preceduto dal trattino basso “_” in modo che nel menu a cascata siano visualizzati all’inizio dell’elenco. Es _cemento armato, confermiamo stabilito che si tratta di un materiale solido, modifichiamo il valore di conducibilità con quello desiderato 2,3 w/m.k nel nostro caso. L’emissività rimane 0.9 per la maggior parte dei materiali da costruzione. Agiamo sul tasto color per associare un colore con il quale verrà visualizzato il materiale quindi confermiamo.

Procediamo in questo modo a creare tutti i materiali necessari, a conclusione salviamo la libreria con il comando save lib as nella cartella del programma.

• Per assegnare i materiali è sufficiente rendere attivi i poligoni del modello geometrico (cliccando sopra) e selezionare il materiale da attribuire dall’apposito menu a tendina presente della barra dei comandi. Procedere con questa tecnica fino ad attribuzione di tutti i materiali.

Sotto, la sezione come dovrebbe apparire dopo aver associato tutti i materiali. I colori sono naturalmente indicativi.

ATTRIBUIRE LE CONDIZIONI AL CONTORNO

Per procedere con il calcolo è ora necessario attribuire le condizioni al contorno. Questo significa indicare al programma le diverse condizioni in termini di temperatura e resistenza superficiali presenti sui bordi della sezione (lato esterno e quello interno). Se selezioniamo uno dei bordi del nostro modello vedremo che il bordo creato è adiabatico. Condizione questa che dovrà essere mantenuta solo in corrispondenza dei piani di taglio. Procediamo quindi a creare le due condizioni al contorno necessarie che saranno:

_esterna TN1
Temperatura 1 °C
Coefficiente di scambio termico superficiale 25 W/mq.k
Località Trento temperatura media giornaliera mese più freddo Dicembre 1,0 °C (fonte UNI 10349- 1 :201 6)

_interna 20 orizzontale
Temperatura 20°C
Coefficiente di scambio termico superficiale 7,69 W/mq.k (fonte UNI EN ISO 6946)

• Accedere alla finestra Boundary condition library dal menu Libraries. le condizioni al contorno presenti nella libreria sono accessibili dalla finestra a discesa. Per ciascuna sono riportati il modello (semplified sarà quello da usare) quindi temperatura e coefficiente di scambio termico (Film coefficient).
• Creiamo le due condizioni al contorno agendo sul tasto new. Immettiamo il nome _esternaTN1 nell’apposita casella e confermiamo, immettiamo i valori temperature (1) e Film Coefficient (25) selezioniamo un colore confermiamo, e salviamo la libreria agendo sul tasto save lib.
• Procediamo in questo modo per creare la condizione interna che chiameremo _interna20orizzontale.

NB:
Una volta definite le condizioni interne ed esterne sarà necessario indicare al programma lungo quale segmento di bordo eseguire il calcolo. Ovvero le superfici interessate dal calcolo della trasmittanza termica. Per fare questo è necessario creare delle etichette (u-factor surface).

Creazione delle etichette U-Factor Surface

Dal menu libraries clicchiamo UFactor Names, nell’apposito campo immettiamo prima _UFesterna e clicchiamo ADD per aggiungerla alla libreria. Ripetiamo i passaggi per la seconda etichetta che sarà _UFinterna quindi chiudiamo.

Attribuzione condizione al contorno

1. Per assegnare le condizioni al contorno è necessario rendere attivo segmento di bordo desiderato facendo doppio clic sopra di esso.
2. Appare la finestra Boundary Condition Type, dalle caselle a discesa Boundary condition selezionate dall’elenco _esternaTN1 e subito sotto nella casella U-Factor selezionare _UFesterna quindi confermate.
3. Ripetere il passaggio per il secondo segmento della condizione esterna.
4. Procediamo allo stesso modo con i due segmenti di bordo interni con la differenza che in questo caso nelle due caselle dovremo selezionare _interna20orizzontale e _UFinterna

CALCOLO CON THERM

Tutto è pronto per lanciare il calcolo

• Cliccare sul pulsante cal
• Terminata l’elaborazione il nostro modello geometrico mostrerà le isoterme con i corrispondenti valori di temperatura.

• Cliccando sul pulsante Show U-factors appare la finestra U-Factor. Regoliamo le due caselle a discesa su Total Length.

In coerenza con l’attribuzione delle due etichette _UFesterna e _UFinterna sono riportati i corrispondenti valori per:

• U-Factor (la trasmittanza termica distribuita sulla lunghezza) W/mq.k
• Delta T °C
• Lenght Lunghezza lungo la quale è calcolata la trasmittanza in mm
• Il valore Heat Flow (flusso di calore) W. Si noti come questi valori coincidano poiché per il principio di conservazione dell’energia un flusso in entrata deve coincidere con il flusso in uscita.

PROCEDURA PER CALCOLO VALORE DEL PONTE TERMICO

Ora vediamo come utilizzare il valore di trasmittanza calcolato da Therm e pervenire al valore della trasmittanza termica lineica che rappresenta il ponte termico.

In linea di principio si tratta di calcolare il coefficiente di scambio termico degli elementi disperdenti (sezione considerata) ipotizzandoli omogenei, ovvero senza considerare l’effetto del pilastro in c.a. nel nostro caso e confrontarlo al coefficiente di scambio termico calcolata da Therm che diversamente includerà l’effetto del pilastro. La differenza tra i due, rappresenta come facilmente comprensibile il valore del ponte termico cercato.

Procediamo con il calcolo del coefficiente di scambio termico che comprende l’effetto del potenziale ponte termico L2D

Prenderemo i valori calcolati da Therm che moltiplicheremo per la lunghezza rispettivamente del bordo estermo e del bordo interno.

Avremo
_UFesternaL2D = (0,4800×2,76)=1,3248 W/m.k

_UF interna L2D = (0,6400×2,07)=1,3248 W/m.k

Calcoliamo ora la trasmittanza termica della parete secondo il metodo previsto dalla norma UNI EN 6946

Uparete= 0,427 W/mq.k

Calcolo coefficiente scambio termico superfici considerate omogenee senza ponte termico.

filo esterno He = (0,427×2,76)= 1,1785 W/m.k

filo interno Hi = (0,427×2,07)= 0,8839 W/m.k

Calcolo trasmittanza termica lineica PT distinta per filo esterno e filo esterno.

filo esterno He = L2d-He =(1,3248-1,1785)= 0,1463 W/m.k

filo interno Hi = L2d-Hi =(1,3248-0,8839)= 0,8839 W/m.k

Il valore del Ponte Termico esterno (quello solitamente da considerare) sarà quindi 0,1463 W/m.k

File DXF necessario all’esercizio guidato con Therm