Fisica del tetto

Come involucro dell’edificio, il tetto è esposto a una serie di fattori strettamente correlati ai processi che si svolgono sia all’esterno che all’interno dell’edificio. Questi fattori includono, in particolare:

• precipitazione;
• vento;
• radiazione solare;
• variazioni di temperatura;
• vapore acqueo contenuto nell’aria interna dell’edificio;
• sostanze chimicamente aggressive nell’aria;
• attività vitale di insetti e microrganismi;
• carichi meccanici.

Precipitazione

La funzione di protezione dell’edificio dalle precipitazioni atmosferiche è assegnata all’elemento più alto del tetto: il tetto. Per drenare l’acqua piovana, la superficie del tetto è inclinata. Il compito del tetto non è far entrare l’acqua negli strati sottostanti.

I materiali per tetti morbidi che formano un tappeto sigillato continuo sulla superficie del tetto (materiali in rotoli e mastice, membrane polimeriche) fanno un buon lavoro con questo compito. Quando si utilizzano altri materiali, le precipitazioni atmosferiche con piccole pendenze del tetto, specialmente in condizioni meteorologiche avverse (pioggia o neve, accompagnate da forti venti) possono penetrare sotto la copertura del tetto. In tali casi, un ulteriore strato impermeabilizzante è disposto sotto il tetto, che è la seconda linea di protezione contro le precipitazioni atmosferiche..

Un compito importante è l’organizzazione del sistema di drenaggio – interno o esterno.

La neve mette un carico statico aggiuntivo sul tetto (carico di neve). Può essere abbastanza grande, quindi deve essere preso in considerazione nel calcolo del carico totale sulla struttura del tetto. Questo carico dipende dalla pendenza del tetto. Nelle aree innevate, la pendenza è generalmente aumentata in modo che la neve non indugi sul tetto. Allo stesso tempo, sui tetti a falde, è consigliabile installare elementi di trattenimento della neve che non consentono alla neve di cadere come una valanga, minacciando così la salute dei passanti, deformando spesso la facciata dell’edificio e disabilitando il sistema di drenaggio esterno.

Fig. 1

Uno dei problemi significativi nelle aree innevate è la formazione di ghiaccio e ghiaccioli sui tetti. Il ghiaccio diventa spesso una barriera che impedisce all’acqua di entrare nella grondaia, nell’imbuto o semplicemente nel fluire. Quando si utilizzano coperture non ermetiche (tetti metallici, tutti i tipi di piastrelle), l’acqua può penetrare attraverso il tetto, formando perdite. Il meccanismo di formazione della glassa e i modi per combattere questo fenomeno sono discussi in dettaglio nella sezione Sistemi antigelo per tetti.

Vento

I flussi di vento, incontrando un ostacolo sotto forma di un edificio lungo la strada, lo bypassano, di conseguenza, intorno all’edificio si formano aree di pressione positiva e negativa (Fig. 2).

fig.2

L’entità della risultante pressione negativa che esercita un effetto di strappo sul tetto dipende da molti fattori. Il più sfavorevole a questo proposito è il vento che soffia sull’edificio con un angolo di 45⁰. Il piano del tetto dell’edificio, che mostra la distribuzione della pressione negativa in una direzione del vento di 450, è mostrato in Fig. 3.

fig.3

La forza di strappo del vento può essere sufficiente a danneggiare il tetto (vesciche, strappare parte dei rivestimenti, ecc.) Aumenta soprattutto quando la pressione aumenta all’interno dell’edificio (sotto la base del tetto) a causa della penetrazione dell’aria attraverso porte e finestre aperte dal lato sottovento o attraverso crepe nella struttura. In questo caso, la forza di strappo del vento è determinata da due componenti: sia la pressione negativa sopra il tetto che la pressione positiva all’interno dell’edificio. Pertanto, per eliminare il rischio di danni al tetto, la sua base è resa il più stretta possibile (Fig. 4). Spesso viene eseguito un ulteriore fissaggio meccanico del materiale di copertura alla base..

fig.4

I parapetti sono usati per ridurre la pressione negativa. Tuttavia, va tenuto presente che non solo possono diminuire, ma anche aumentare la pressione negativa. Se i parapetti sono troppo bassi, la pressione negativa può essere persino più alta che senza di loro..

Radiazione solare

Diversi materiali di copertura hanno sensibilità diverse alle radiazioni solari. Quindi, ad esempio, la radiazione solare non ha praticamente alcun effetto sulle piastrelle di ceramica e cemento-sabbia, così come sui tetti di metallo senza rivestimenti polimerici applicati ad esse..

I materiali a base di bitume sono altamente sensibili alle radiazioni solari: l’esposizione alle radiazioni ultraviolette accelera il processo di invecchiamento. Pertanto, di norma, hanno uno strato protettivo superiore di medicazione minerale. Per proteggere i materiali moderni dall’invecchiamento, nella composizione del bitume vengono introdotti speciali additivi (modificatori).

Numerosi materiali, sotto l’influenza delle radiazioni ultraviolette, perdono il loro colore originale (sbiadiscono) nel tempo. I tetti in metallo con alcuni tipi di rivestimenti polimerici sono particolarmente sensibili a questa radiazione..

L’energia solare radiante, che cade sul tetto, è parzialmente assorbita dai materiali di copertura. Allo stesso tempo, gli strati superiori del tetto possono essere significativamente riscaldati (a volte fino a 100 ° C), il che influisce anche sul loro comportamento. Quindi, ad esempio, i materiali a base di bitume si ammorbidiscono a temperature sufficientemente elevate e in alcuni casi possono scivolare dalle superfici inclinate del tetto. Anche i materiali per coperture metalliche con alcuni tipi di rivestimenti sono sensibili al calore. Pertanto, quando si sceglie un materiale di copertura da utilizzare nelle regioni meridionali, è necessario assicurarsi che abbia una resistenza al calore sufficiente..

Variazioni di temperatura

Come involucro edilizio, il tetto opera in un regime di temperatura piuttosto severo, sperimentando variazioni di temperatura sia spaziali che temporali. Di norma, la sua superficie inferiore (soffitto) ha una temperatura vicina a quella della stanza. Allo stesso tempo, la temperatura della superficie esterna varia in un intervallo abbastanza ampio – da valori negativi molto significativi (in inverno, notte gelida) a valori vicini a 100 0С (in estate, in una giornata di sole). La temperatura della superficie esterna del tetto, allo stesso tempo, può essere eterogenea a causa della disparità di illuminazione solare delle sue diverse parti..

Ma, come sapete, tutti i materiali sono soggetti ad allungamento e compressione termica in un modo o nell’altro. Pertanto, al fine di evitare deformazioni e distruzioni, è molto importante che i materiali che operano in una singola struttura abbiano coefficienti simili di dilatazione termica. Per aumentare la resistenza del tetto ai carichi termici, vengono anche utilizzate una serie di soluzioni tecniche. In particolare, nei tetti piani, per limitare l’effetto dei movimenti orizzontali e delle eccessive sollecitazioni interne, vengono posati speciali nodi di deformazione.

Un grave pericolo per quasi tutti i materiali di copertura (ad eccezione dei rivestimenti metallici) è rappresentato da frequenti, a volte cadute di temperatura giornaliere da più a meno. Ciò tende a verificarsi in zone con inverni miti e umidi. Pertanto, in tali zone climatiche, è necessario prestare molta attenzione a una caratteristica così importante per i materiali di copertura come l’assorbimento d’acqua. Con un elevato assorbimento d’acqua, l’umidità a temperature positive penetra e si accumula nei pori del materiale, a temperature negative congela e, espandendosi, deforma la struttura stessa del materiale. Il risultato è una progressiva distruzione del materiale, che porta alla formazione di crepe.

Il tetto non deve solo resistere a significative variazioni di temperatura, ma anche proteggere in modo affidabile l’interno dell’edificio da essi, proteggendolo dal freddo in inverno e dal caldo in estate. Il ruolo della barriera termica nella struttura del tetto appartiene allo strato isolante. Affinché il materiale di isolamento termico funzioni, deve essere il più asciutto possibile. Con un aumento dell’umidità del solo 5%, la capacità di isolamento termico del materiale è quasi dimezzata.

Vapore acqueo

Il vapore acqueo viene costantemente generato all’interno dell’edificio a causa delle attività umane (cucinare, lavare, fare il bagno, lavare i pavimenti, ecc.). L’umidità è particolarmente elevata negli edifici di recente costruzione o ristrutturati. Nel processo di diffusione e trasferimento convettivo, il vapore acqueo aumenta e, raffreddandosi a una temperatura inferiore al punto di rugiada, si condensa nello spazio sottotetto (Fig. 5). La quantità di umidità generata è maggiore, maggiore è la differenza di temperature all’esterno e all’interno dell’edificio, quindi, in inverno, l’umidità si accumula abbastanza intensamente nello spazio sottotetto.

fig.5

L’umidità ha un effetto negativo sulle strutture del tetto in legno e metallo. Con un eccesso, inizia a drenare all’interno, formando perdite sul soffitto. Le conseguenze più spiacevoli sono l’accumulo di umidità nel materiale termoisolante, che, come già accennato, riduce drasticamente le sue proprietà termoisolanti..

Una barriera significativa alla penetrazione del vapore nello spazio sotto il tetto è un film speciale con bassa permeabilità al vapore, che viene posizionato nella struttura del tetto direttamente sotto l’isolamento termico. Tuttavia, nessun materiale barriera al vapore è in grado di escludere completamente il flusso di vapore dall’interno dell’edificio nello spazio sotto il tetto. Pertanto, affinché il tetto non perda la sua capacità di isolamento termico di anno in anno, è necessario che tutta l’umidità che si accumula nel materiale termoisolante in inverno dovrebbe fuoriuscire in estate..

Questo compito viene risolto con misure costruttive. In particolare, per tetti piani, si consiglia l’incollaggio non continuo, ma parziale dei materiali di copertura alla base.

Le aperture di ventilazione speciali sono disposte in tetti a falde (Fig. 6). Di regola, ce ne sono due: il divario superiore e quello inferiore. Attraverso la fessura superiore (tra la copertura e l’impermeabilizzazione) viene rimossa l’umidità atmosferica intrappolata sotto la copertura. Grazie alla ventilazione, le strutture in legno (contro-reticolo e tornitura) sono costantemente ventilate, il che garantisce la loro durata. Attraverso la fessura di ventilazione inferiore viene rimossa l’umidità, penetrando nell’isolamento dall’interno. Disposizione di alta qualità della barriera al vapore dal lato interno e la presenza di un sufficiente spazio di ventilazione inferiore, esclude il ristagno della struttura del tetto.

fig.6

Si noti che quando si utilizzano membrane traspiranti come materiali impermeabilizzanti, non è necessario uno spazio di ventilazione inferiore..

Per garantire una buona circolazione dell’aria, molte aziende che producono materiali di copertura per tetti a falde, di norma, offrono una serie di elementi di ventilazione come elementi aggiuntivi: aeratori a sbalzo, aeratori a cresta, griglie di ventilazione e per tetti di tegole – speciali piastrelle di ventilazione.

La protezione più affidabile contro il vapore acqueo è particolarmente necessaria nei tetti di stanze con elevata umidità: piscine, musei, sale computer, ospedali, alcuni locali industriali, ecc. Occorre inoltre prestare particolare attenzione alla protezione dal vapore quando si costruisce in zone con climi estremamente freddi, anche con normale umidità interna. Quando si analizzano le condizioni ambientali e le condizioni di temperatura e umidità all’interno dei locali, si possono fare ipotesi sulla possibilità di condensazione dell’umidità e sul suo accumulo e, usando varie combinazioni di componenti del tetto, cercare di prevenire questi fenomeni.

Sostanze chimicamente aggressive nell’aria

Di norma, nelle grandi città o nelle vicinanze di grandi imprese nell’atmosfera vi è una concentrazione abbastanza elevata di sostanze chimicamente aggressive, ad esempio idrogeno solforato e anidride carbonica. Pertanto, per tutti gli elementi strutturali dei tetti e, in particolare, per i tetti in tali aree, è necessario utilizzare materiali resistenti ai prodotti chimici presenti nell’aria..

Attività vitale di insetti e microrganismi

Vari insetti e microrganismi possono causare danni significativi alla struttura del tetto, in particolare agli elementi in legno. L’umidità elevata è un ambiente particolarmente favorevole per la loro vita. Per proteggere le strutture in legno, vengono utilizzate impregnazioni speciali che proteggono il materiale dai microrganismi.

Carichi meccanici

La struttura del tetto deve resistere a carichi meccanici, sia permanenti (statici) – dagli elementi di riempimento e installazione, sia temporanei – neve, dal movimento di persone e attrezzature, ecc. Anche i carichi associati a possibili movimenti tra il tetto e i nodi dell’edificio sono temporanei..

Quindi, affinché il tetto possa svolgere in modo affidabile le sue funzioni ed essere resistente a vari tipi di influenze (elencate sopra), è necessario: in primo luogo, è sufficiente calcolare correttamente la parte del cuscinetto; in secondo luogo, trova la migliore opzione di design; e infine, in terzo luogo, garantire la combinazione ottimale di materiali da costruzione.

Da quanto detto, ne consegue che i seguenti strati principali possono essere presenti nella struttura del tetto (Fig. 7):

fig.7

• materiale di copertura, su cui viene applicato uno strato aggiuntivo, se necessario (medicazione, zavorra, ecc.);
• strato impermeabilizzante (su tetti inclinati) – isola inoltre gli strati interni del tetto dalla penetrazione dell’umidità atmosferica;
• isolamento termico – fornisce una temperatura dell’aria abbastanza stabile nei locali;
• barriera al vapore – impedisce al vapore acqueo di entrare nella struttura del tetto dall’interno dell’edificio;
• base.

La struttura del tetto deve essere dotata di misure per la libera circolazione dell’aria (ventilazione).

La necessità di determinati livelli e la loro posizione dipendono dal tipo di edificio e dagli effetti a cui sarà esposto. Quando si sceglie, è anche necessario tenere conto delle caratteristiche tecniche dei materiali utilizzati: coefficienti di dilatazione e compressione termica; massima resistenza a trazione, compressione e taglio; caratteristiche di permeabilità al vapore e assorbimento di umidità; caratteristiche di invecchiamento, incl. maggiore fragilità e perdita di resistenza termica; elasticità; resistenza al fuoco. L’importanza di tutte le caratteristiche tecniche di cui sopra è determinata da ciascun caso specifico.