Il tetto ai tempi degli edifici nZEB: il giusto percorso progettuale

In questo articolo si vuole proporre un’innovativa modalità di progettazione di una copertura nuova o di riqualificazione di una esistente, accompagnando il progettista lungo un percorso che gli permetta di individuare le scelte più adatte alla luce dei principi di fisica edile che ne sovrintendono il funzionamento.

La progettazione del tetto ai tempi degli edifici a energia quasi zero

Forse perché la sua forma richiama alla nostra mente la capanna, rifugio atavico dell’umanità, o forse perché ricorda il gesto delle nostre braccia alla ricerca di protezione. Comunque sia il tetto rappresenta ancora oggi l’essenza stessa della casa, la difesa dell’intimità familiare.

Agli affezionati lettori di Ingenio non sarà certo sfuggito il frequente richiamo al nuovo paradigma progettuale, che si esplica sotto la denominazione di “nZEB (edificio ad energia quasi zero)” o di “protocolli di qualità costruttiva” come CasaClima o Passivhaus, presente negli articoli tecnici. E’ la necessità di evitare il disastro ambientale che ci impone di eliminare sprechi di energia e di materiale, per cui ogni atto progettuale deve essere accompagnato da questa nuova consapevolezza di fare “il meglio con meno”. 

E la progettazione del tetto riassume plasticamente questa nuova metodologia progettuale e costruttiva: qualità elevata e alto comfort abitativo con poca energia.

E’ proprio in questa nuova ottica che si vuole proporre qui un’innovativa modalità di progettazione di una copertura nuova o di riqualificazione di una esistente, accompagnando il progettista lungo un percorso che gli permetta di individuare le scelte più adatte alla luce dei principi di fisica edile che ne sovrintendono il funzionamento. 

Il tetto: una lunga teoria di funzioni

Al tetto affidiamo molteplici incarichi, tutti di fondamentale importanza, che concorrono a determinare il comfort abitativo dei vani posti sotto di esso:

• la sicurezza statica sotto il carico della neve e del vento;
• la protezione dagli agenti atmosferici: pioggia, neve, grandine, vento;
• la protezione dal freddo invernale;
• la protezione dal surriscaldamento estivo;
• l’assenza di muffa e di condensa interna;
• l’ermeticità interna all’aria;
• l’assenza di condensa interstiziale;

e infine, non scordiamolo mai, 

• la bellezza, l’armonia della forma e il calore dei materiali, sia sul lato esterno sia internamente.

Stratigrafia del tetto: gli strati funzionali e le diverse funzioni

Nonostante il suo apparente aspetto di monoliticità, possiamo individuare nella stratigrafia del tetto i diversi strati funzionali ai quali viene affidata una propria specifica e insostituibile funzione. 

Ogni strato funzionale è realizzato con un ben preciso materiale e occupa una ben definita posizione all’interno della stratigrafia perché ogni strato funzionale “dialoga” con gli strati vicini e ne condiziona (migliorandolo, peggiorandolo o annullandolo) il suo contributo.

Partendo dalle funzioni affidate al tetto, vediamo ora di individuare gli strati funzionali che possono garantirne il soddisfacimento. 

A. LA SICUREZZA STATICA

La sicurezza statica è indubbiamente la più importante delle funzioni che deve garantire il tetto. Le abbondanti nevicate, spesso associate ad una successiva pioggia o le tempeste cicloniche che sempre più spesso si abbattono anche sul nostro Paese, rappresentano un duro cimento per i tetti delle nostre abitazioni.

La sicurezza statica è affidata allo “strato portante” che si può esplicare in diverse tipologie costruttive, figlie della tradizione edilizia italiana declinata nelle sue varianti regionali e locali. Possiamo, in maniera del tutto arbitraria, indicare quelle che si sono affermate nel secondo Dopoguerra e che sono ormai le più presenti sia negli edifici esistenti che nelle nuove edificazioni. 

• soletta piena in calcestruzzo armato (c.c.a.)
• solaio in latero-cemento con o senza caldana superiore
• solai misti con travi portanti sotto-emergenti in acciaio e tavolato in pannelli metallici coibentati o in lamiera grecata 
• solai misti con travi sotto-emergenti in acciaio e tavolato in tavelloni e caldana
• solai misti con travi sotto-emergenti in cemento prefabbricato e tavolato in tavelloni e caldana
• solai in legno con travi portanti sotto-emergenti e tavolato in assito di legno
• solai misti con travi portanti sotto-emergenti in legno, orditura secondaria con travicelli in legno e tavolato in tavelle di laterizio a vista con soprastante caldana in cemento o con contro-assito
• è ancora presente la soluzione di tetto ad intercapedine, costituita da tavelloni con sovrastante caldana, appoggiati su file di muretti realizzati sul solaio del piano di sottotetto.

Non è questa la sede in cui trattare vantaggi e svantaggi in termini statici e sismici di ogni singola tipologia costruttiva. Ci limiteremo a dire che tutte le tipologie indicate, se ben progettate, dimensionate e costruite, sono in grado di sostenere le spinte e i carichi previsti per le coperture. 

Ciò che interessa in questo contesto è comprendere la varietà delle forme e dei materiali dei quali è costituita la struttura portante di una copertura perché ciò avrà un'importante ripercussione sulle scelte da operare nel seguito della progettazione.

B. LA GESTIONE DEL VAPORE 

Potrà apparire inaspettato porre l’aspetto della “gestione del vapore” subito dopo la sicurezza statica e prima di tutte le altre funzioni che normalmente chiediamo al tetto di assolvere.

Eppure la gestione del vapore occupa, ora, un posto importante. Vediamo perché.

All’interno di un appartamento gli abitanti producono dai 15 ai 20 litri di acqua al giorno che viene “catturata” dall’aria sotto forma di vapore acqueo. Tale vapore deve essere allontanato per evitare che condensi nei punti più freddi della casa, trasformandosi in acqua, e che consenta la formazione di muffe, dannose per gli abitanti. La quasi totalità del vapore acqueo viene allontanato tramite l’apertura delle finestre mentre una parte, diciamo il 2%, viene smaltito attraverso i muri perimetrali e la copertura. Questa quantità di vapore, seppur piccola, se non gestita correttamente può causare ingenti danni anche strutturali.

Innanzitutto il progetto deve prevedere che lo smaltimento del vapore verso l’esterno avvenga tramite il trasporto per diffusione, meccanismo innescato dalla differenza di temperatura fra le due facce della copertura che spinge il vapore dalla parte più calda verso quella più fredda (cioè dall’interno verso l’esterno in inverno e viceversa in alcune ore estive).

Il progetto deve evitare che si inneschi, invece, il trasporto per convezione, nel quale l’aria penetra nella stratigrafia del tetto carica dell’umidità insinuandosi in cavità o vuoti. In questo percorso l’aria si raffredda e l’umidità contenuta in essa condensa provocando gravi danni anche strutturali. 

In altre parole: il progetto deve favorire il trasporto del vapore per diffusione ed evitare che si inneschi invece il trasporto di vapore per convezione. 

Per fare ciò è necessario prevedere uno strato funzionale detto “tenuta all’aria” che impedisca all’aria di penetrare all’interno della stratigrafia. A seconda della tipologia strutturale del tetto tale funzione può essere svolta dallo strato di intonaco interno oppure da appositi teli posizionati sulla faccia inferiore del pacchetto di copertura.

Una volta “disinnescato” il trasporto per convezione, è necessario progettare accuratamente il trasporto per diffusione del vapore in modo tale che il vapore entrato nella stratigrafia trovi con facilità la strada per uscirne senza provocare condensa interstiziale, cioè formazione di acqua fra gli strati. Per innescare questo meccanismo di trasporto del vapore è necessario innanzitutto prevedere la possibilità che esso possa uscire: ciò significa che sul lato esterno non debba essere presente una “barriera al vapore” ossia un ostacolo insormontabile per esso. Evitare di posizionare una “barriera al vapore” sull’esterno significa rinunciare ad un must che ha caratterizzato da decenni il nostro modo di impermeabilizzare il tetto: la guaina bituminosa posta al di sopra il pacchetto di copertura subito al di sotto delle tegole. La guaina bituminosa è infatti una “barriera al vapore” che ostacola la fuoriuscita del vapore. 

Pertanto sarà necessario progettare una copertura ventilata in cui sia possibile l’allontanamento del vapore una volta che esso abbia attraversato l’intera stratigrafia. Per facilitare l'attraversamento della stratigrafia la progettazione deve prevedere anche questa condizione: il valore Sd (spessore equivalente d’aria, espresso in m) dei singoli strati funzionali che si susseguono nella stratigrafia,  deve diminuire procedendo dall’interno verso l’esterno, in modo da diminuire progressivamente gli “ostacoli” al passaggio del vapore e permetterne una sua veloce fuoriuscita.

C. LA VENTILAZIONE DEL TETTO

Un'innovazione rispetto agli schemi tradizionali, e che è già utilizzata da alcuni anni, è conosciuta come “tetto ventilato”.

Questa soluzione prevede la formazione di una camera d’aria posta fra il manto di copertura (coppi, tegole, embrici…) e il pacchetto sottostante all’interno della quale l’aria si muove dalla gronda alla sommità per “effetto camino”. Questo movimento d’aria permette un allontanamento più efficace del vapore in uscita d’inverno e un effetto di raffrescamento in estate.

Ci sono molteplici modalità di realizzazione di questa intercapedine fra le quali la formazione di doppia listellatura incrociata o la singola listellatura con piano in osb. Ritengo sia da preferire la prima soluzione perché la sottoventilazione che si innesca mantiene asciutto il manto di copertura evitando così infragilimenti.

D. LA PROTEZIONE DAGLI AGENTI ATMOSFERICI 

La protezione dagli agenti atmosferici è l’incarico che affidiamo agli strati funzionali posti sul lato esterno. Per agenti atmosferici intendiamo neve, acqua e vento.

La protezione dalla pioggia e dalla neve e il loro veloce allontanamento, la affidiamo a questi due strati funzionali:

• Il manto di copertura posto al di sopra dello strato di ventilazione;
• Il telo posto al di sotto della ventilazione a protezione del pacchetto sottostante.

Questo telo assume un ruolo fondamentale nella protezione del pacchetto perché ricopre le seguenti funzioni: “tenuta all’acqua” (chiaramente è una protezione secondaria che si attiva solo quando la principale, e cioè il manto di copertura, ha subito un danno), “tenuta al vento”, funzione che corrisponde alla “tenuta all’aria” interna che abbiamo già visto: questo telo deve impedire che il vento, penetrando nella stratigrafia, inneschi il meccanismo di “trasporto del vapore per convezione” che, abbiamo visto, è causa di molteplici problemi, anche e soprattutto strutturali.

Infine questo telo deve anche permettere la fuoriuscita del vapore: pertanto non sarà una “barriera al vapore” ma un telo traspirante con un Sd molto basso attorno ai 0,02-0,2 m.

E. LA PROTEZIONE DAL FREDDO INVERNALE

Difficilmente le coperture degli edifici realizzati prima del 1980 erano dotate di isolamento termico. La crisi energetica mondiale del 1973 e le domeniche italiane di austerity rappresentarono l’antefatto per l’uscita della L.373/1976 con la quale è stato introdotto per la prima volta il concetto di isolamento termico finalizzato al risparmio di energia fossile. Non vi era ancora alcun collegamento con la crisi ambientale provocata dallo spreco energetico ma rappresentava solo una modalità necessaria di minor consumo del petrolio, il cui prezzo era passato dai 3 dollari a barile del 1973 ai 34 dollari del 1980.

La progressiva richiesta, da parte del mercato, di un miglior comfort abitativo e l’introduzione normativa di requisiti sempre più prestazionali in termici di isolamento termico, hanno condotto all’attuale situazione nella quale una copertura deve garantire alti livelli di isolamento termico.

In pratica si deve progettare uno strato funzionale che, migliorando il comportamento termico dello “strato portante” già presente o già progettato, conduca l’intero pacchetto al livello di resistenza termica richiesta dalla legge.

Lo strato funzionale per l’isolamento termico è facilmente individuato nello strato, o negli strati, di materiale isolante che viene posto al di sopra dello strato portante. Il parametro che sovrintende il raggiungimento del requisito è la trasmittanza U espressa in W/mq K.

Questo parametro è determinato in buona sostanza da tre contributi:

1. la caratteristica termica propria dei materiali impiegati rappresentata dal parametro conduttività termica  λ [W/mK];
2. dal loro spessore s [m];
3. dalle resistenze termiche superficiali Rse e Rsi [W/mqK].

Più sarà basso il valore di λ del materiale utilizzato (indice di un miglior comportamento isolante) e quanto più sarà alto lo spessore s dello strato isolante, tanto maggiore sarà la resistenza termica R e, di conseguenza, tanto minore sarà il valore della trasmittanza U la quale rappresenta il calore che oltrepassa il materiale quando questo ha lo spessore di un metro e quando tra le sue due facce esterne si crei una differenza di temperatura di un grado. 

Il parametro trasmittanza U viene identificato come il requisito normativo che rappresenta la qualità isolante della copertura sia dalla legge sul contenimento energetico (DM 26/06/2015 Requisiti minimi tabella 2 appendice b, per edifici esistenti sottoposti a riqualificazione energetica ) sia dal DM 06/08/2020 Requisiti ecobonus per l’accesso alle detrazioni fiscali.

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L'articolo prosegue prendendo in esame la funzione della "Protezione dal surriscaldamento estivo" analizzando i requisiti per la progettazione del tetto previsti dal DM 26/06/2015, spiegando il parametro della Trasmittanza termica periodica Yie e riportando due casi studio.