Danni della grandine sul sistema impermeabile: soluzioni progettuali per proteggere la stratigrafia

Progettare una copertura resistente alla grandine significa progettare correttamente l'intero sistema impermeabile. La scelta della membrana rappresenta solo uno dei fattori che determinano il comportamento della copertura: risultano altrettanto decisivi il supporto, la stratigrafia, l'adesione tra gli strati e le modalità di posa. L'articolo analizza come supporto, isolamento termico, modalità di posa, spessore, armatura e tipologia delle membrane (bitume polimero, PVC-P e TPO) influenzino la capacità del sistema di resistere al punzonamento dinamico provocato dall'impatto dei chicchi di grandine. Un approfondimento tecnico rivolto a progettisti, direttori lavori e imprese che raccoglie criteri progettuali, confronti prestazionali e indicazioni operative per ridurre il rischio di danneggiamento delle coperture.

Gli effetti del “punzonamento dinamico” sulle membrane impermeabili

Gli eventi naturali eccezionali come grandine e vento sono stati sempre, per le coperture continue (impermeabilizzate), uno dei principali motivi di danneggiamento di carattere meccanico (punzonamento dinamico per la grandine ed estrazione e/o lacerazione per il vento) dell’elemento di tenuta impermeabile. 

In questi ultimissimi anni, però, forse per il cambio climatico del nostro pianeta, questi eventi “eccezionali”, si ripetono con una certa frequenza, specialmente per quanto riguarda la grandine, fino a diventare in qualche modo “eventi ricorrenti stagionali”. 

I sistemi impermeabili “a vista”, quindi non adeguatamente protetti da protezioni pesanti (mobili o fisse), vengono danneggiati, in modo spesso irreparabile dall’azione di “punzonamento dinamico” della grandine.

Questi danneggiamenti, nella maggior parte dei casi, risultano infatti talmente diffusi, sulla superficie della copertura, che rendono, se non del tutto impossibili, spesso anche assolutamente antieconomiche le riparazioni delle lacerazioni puntuali (normalmente a forma di mezzaluna o croce o stella), presenti sulle membrane, causate dall’impatto della grandine.

Nell'immgine a sinistra: i danneggiamenti causati dalla caduta della grandine, con lacerazioni a “stella” su coperture con impermeabilizzazione in membrane in bitume polimero.
Nell'immagine di destra: i danneggiamenti causati dalla caduta della grandine, con lacerazioni a mezzaluna sul manto impermeabile.

Nella maggior parte dei casi è pertanto necessario o spesso più conveniente realizzare la totale ricopertura dello strato impermeabile danneggiato, con uno nuovo e nei casi più gravi (quando vi è la deformazione puntuale dell’isolante termico) anche il rifacimento totale della stratigrafia, in tutti i suoi elementi e strati, con asportazione preventiva di quelli danneggiati.

Soluzioni progettuali per proteggere la stratigrafia impermeabile dall’impatto della grandine

Nei danneggiamenti di carattere meccanico dovuti alle grandinate, non è comunque solo responsabile il clima, ma è troppo spesso anche complice la progettazione e la realizzazione della stratigrafia impermeabile, infatti sono molte le precauzioni preventive che si possono prendere su una copertura per evitare o almeno ridurre, al massimo, i danni da impatto da grandine, in eventi “normalmente eccezionali”. 

Ovviamente la soluzione progettuale più sicura è quella di “proteggere” l’elemento di tenuta con una finitura di tipo pesante mobile (ghiaia, pavimentazioni galleggianti, terreno vegetale, ecc.) o di tipo pesante fissa (massetti industriali, piastrelle, cappe cementizie, ecc.). 

Quando, per vari motivi (costi, manutenzione, carichi strutturali, ecc.) non fosse possibile prevedere queste protezioni di carattere meccanico, sarebbe comunque bene adottare alcune attenzioni particolari, quali: 

• Utilizzo di membrane impermeabili con adeguato spessore (consigliabile per le membrane in PVCP o TPO lo spessore 1,8 mm; consigliabile per le membrane in bitume polimero il doppio strato da 4+4 mm, con finitura granigliata).
• Utilizzo di membrane aventi armature particolarmente resistenti al punzonamento dinamico.
• Pannelli termoisolanti con una resistenza a compressione adeguata (≥ 150 kPa)
• Non lasciare mai vuoti all’intradosso dell’elemento di tenuta (esempio gusce prefabbricate poste nell’angolo interno, al piede dei risvolti verticali, vuoti in corrispondenza di angoli esterni causati dall’accostamento di due pannelli termoisolanti posti su piani diversi, accostamenti mal eseguiti tra pannelli termoisolanti, ecc.); 

Per meglio spiegare il precedente concetto, si riporta questo esempio pratico: Se si prende un foglio di carta e lo si stende sulla superficie solida di un tavolo e lo si colpisce, anche forte, con un oggetto sferoidale, quasi sicuramente il foglio non subisce lesioni passanti, ma se lo stesso foglio lo si pone, fissato a ponte, tra due supporti rigidi, lasciando uno spazio vuoto tra loro e lo si colpisce in questa zona, sempre con lo stesso oggetto sferoidale, sicuramente esso subirà una lesione passante (effetto tamburo).

• se l'elemento di tenuta non è correttamente stabilizzato (incollato/ vincolato) in continuo sul piano di posa, dove per presenza di vuoti o irregolarità di quest’ultimo (es. grumi di malta o piccole depressioni del massetto cementizio delle pendenze o imbarcamenti di pannelli termoisolanti), esso risulta tesato o ondulato, con creazione di vuoti al suo intradosso.

Comportamento alla grandine delle membrane prefabbricate flessibili impermeabilizzanti

Il comportamento alla grandine di una membrana impermeabilizzante dipende dalla tipologia della membrana stessa, sintetica o bituminosa, e dal sistema posato.

Membrane sintetiche

In generale, le membrane sintetiche hanno buone capacità di resistenza alla grandine. 

Fra le membrane sintetiche maggiormente diffuse per l’impermeabilizzazione dei tetti, in PVC-P e TPO, se utilizzate in spessore ≥ 1,8 mm, queste ultime sembrano dotate di una maggiore affidabilità.

Una prerogativa delle membrane sintetiche (TPO in particolare), é di essere sostanzialmente svincolate, per le proprie caratteristiche di resistenza alla grandine, dalla composizione del sistema impermeabilizzante posato, e dalla tipologia più o meno rigida del piano d’appoggio (calcestruzzo o pannelli isolanti).

Membrane in PVC-P

Durante l’esercizio in opera le membrane in PVC-P sono generalmente interessate da fenomeni di migrazione dei plastificanti, e perciò potenzialmente esposte a significative perdite di massa e della flessibilità originaria. A ciò consegue una diminuzione delle caratteristiche resistenti che, a partire da un buon comportamento iniziale, comporta nel tempo una maggiore vulnerabilità all’urto dei chicchi di grandine.

Nell'immagine a sinistra: i danneggiamenti causati dalla caduta della grandine su membrane in PVC-P invecchiate.
Nell'immagine a destra: i danneggiamenti causati dalla caduta della grandine su coperture con impermeabilizzazione in membrane in PVC-P.

Danneggiamento causato dalla caduta della grandine, con lacerazioni a “stella” su coperture con impermeabilizzazione in membrane in PVC-P, viste sopra e sotto il telo.

Membrane in TPO

Le membrane in TPO, al contrario di quelle in PVC-P, hanno generalmente una composizione più stabile, e conservano perciò meglio e più a lungo le proprie caratteristiche chimico-fisiche originarie; resistono ottimamente alla grandine e mantengono tale capacità nel tempo, anche negli spessori d’utilizzo minimi (1,2-1,5 mm).

Membrane in bitume polimero

Le membrane, in bitume polimero, sono caratterizzate da una maggiore variabilità della propria capacità di fronteggiare gli eventi “grandigeni”. La resistenza alla grandine di una membrana in bitume polimero risente in modo rilevante sia della tipologia della membrana stessa, (per la natura del compound, l’armatura, la finitura superficiale, lo spessore) sia dal sistema impermeabile applicato, in termini di piano d’appoggio e di modalità applicative del sistema stesso. Per quanto riguarda il compound della membrana, i bitumi modificati con polimeri termoplastici di tipo elastomerico sono tendenzialmente più performanti; fra le armature, i non tessuti di poliestere sono indubbiamente preferibili alle armature in velo vetro; una finitura superficiale di auto-protezione aiuta a sopportare molto meglio l’impatto di chicchi con bordi acuminati; naturalmente spessori più elevati della membrana, aumentano decisamente le capacità resistenti della stessa. Nel caso delle membrane in bitume polimero, a differenza di quanto avviene per le membrane sintetiche, il piano posa e le modalità applicative (in aderenza o in indipendenza) assumono una rilevanza maggiore. 

In linea generale, un piano di posa “morbido” (quale quello costituito da un pannello isolante) è meno collaborante di un supporto rigido (es. in calcestruzzo), così come la posa in indipendenza della membrana bituminosa ne sfavorisce le capacità di fronteggiare l’impatto dei chicchi di grandine. 

La presenza di una membrana in bitume polimero di primo strato può contribuire notevolmente alla resistenza alla grandine della membrana dello strato superiore, ma occorre che l’incollaggio delle membrane costituenti i due strati sia davvero realizzato in aderenza totale, per quanto possibile senza zone di discontinuità dell’incollaggio stesso; nel caso contrario, colpita nella zona tesa, a “sbalzo” fra due punti di ancoraggio sullo strato inferiore, la membrana dello strato superiore risulta più fortemente sollecitata.

Considerazioni teorico/sperimentali riguardanti i sistemi impermeabilizzanti resistenti alla grandine 

I dispositivi sperimentali di prova oggi disponibili misurano generalmente velocità d’impatto fino a circa 30 m/s, valutabili, secondo il calcolo previsionale, come corrispondenti a chicchi di grandine all’incirca del diametro di circa 26-27 mm. In base alla disponibilità di dati attuali, e dell’informazione tecnica reperibile nelle pubblicazioni dei produttori, le membrane sintetiche sono normalmente in grado di superare le prove specifiche realizzabili con tali apparati sperimentali, al massimo delle capacità di misura (salvo un potenziale degrado prestazionale durante l’esposizione in esercizio, relativamente al caso del PVCP). 

Le membrane in bitume polimero, di buon livello, dotate di ottima resistenza all’invecchiamento, possono invece fornire risultati diversi (secondo la propria composizione e il sistema di copertura in cui sono inserite), in un campo che varia da velocità di circa 20-22 m/s a circa 30 m/s delle sfere proiettate contro provini posati a secco su supporto “morbido” (corrispondenti a chicchi di grandine con diametro dell’ordine dei 12 – 27 mm).

Misura dell’intensità della grandinata 

L’intensità di una grandinata viene attualmente determinata secondo la “scala TORRO”, che fu ideata, elaborata e introdotta ufficialmente nella scienza meteorologica da Jonhatan Webb, di Oxford (UK), nel 1986. TORRO è l’acronimo di “TORnado and storm Research Organization”.

La “scala TORRO” prevede delle categorie alle quali sono associate numerose tipologie di danni per classificare in maniera quanto possibile precisa gli “eventi grandigeni”. 

I potenziali danni possono dipendere da numerose variabili: 

• dimensione del chicco di grandine;
• velocità di caduta del chicco;
• durezza del chicco;
• forma del chicco;
• orientamento della traiettoria di caduta del chicco. 

L’intensità di una grandinata può essere agevolmente determinata se questa avviene su un’area costruita, ovvero su aree piene di manufatti, che hanno la capacità di mantenere evidenti i danni ed è stabilita con riferimento al danno maggiore che ha causato.

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Nel contributo integrale in PDF l'analisi prosegue con gli aspetti sperimentali e teorici della resistenza alla grandine. Vengono illustrati la classificazione degli eventi grandinigeni secondo la scala TORRO, i criteri di prova utilizzati per valutare i sistemi impermeabili, la dinamica dell'impatto dei chicchi sulla copertura e il modello di calcolo della velocità di caduta, utile per interpretare i risultati delle prove di laboratorio e le prestazioni delle diverse soluzioni impermeabili.

FAQ Tecniche: Danni da grandine e resistenza dei sistemi impermeabili | INGENIO

Che cos'è la TORRO Hail Scale e come classifica l'intensità degli eventi grandinigeni?

La TORnado and Storm Research Organisation (TORRO) ha sviluppato diverse scale per la classificazione dei fenomeni atmosferici severi. Per gli eventi grandinigeni viene utilizzata la TORRO Hail Scale, articolata in classi progressive da H0 a H10, che esprimono livelli crescenti di intensità e di potenziale danno. La classificazione tiene conto della dimensione dei chicchi di grandine (media e massima), della loro consistenza, della distribuzione spaziale e numerica, nonché della velocità di caduta, della velocità di spostamento della cella temporalesca e dell'intensità del vento associato.

Quale tipologia di azione provoca la caduta della grandine su uno strato impermeabile?

La caduta della grandine genera un'azione dinamica di punzonamento, dovuta all'impatto dei chicchi sulla superficie della membrana impermeabile. A differenza di un carico statico, l'urto concentra in un tempo molto breve un'elevata quantità di energia su una superficie ridotta, producendo sollecitazioni localizzate che possono provocare deformazioni, perforazioni o lacerazioni dell'elemento di tenuta. La capacità di resistere a questa azione dipende non solo dalle caratteristiche della membrana, ma anche dalla rigidezza del supporto, dalle proprietà dell'isolante e, più in generale, dal comportamento dell'intero sistema di copertura.

Come viene valutata la resistenza alla grandine di un sistema impermeabile?

La resistenza alla grandine viene valutata mediante prove di laboratorio, eseguite secondo la UNI EN 13583:2012, nelle quali una sfera di materiale e dimensioni prestabilite viene proiettata contro un campione, riproducendo le condizioni d'impatto dei chicchi di grandine sulla copertura. La prova determina la massima velocità d'impatto sopportata senza che si verifichino perforazioni o altre alterazioni dell'elemento di tenuta. Per interpretare correttamente le prestazioni del sistema, è utile correlare i risultati sperimentali con la velocità reale di caduta dei chicchi di grandine, stimabile attraverso modelli teorici basati sulla dinamica della precipitazione.

Quali accorgimenti progettuali migliorano la resistenza alla grandine di una copertura impermeabilizzata?

La soluzione più efficace consiste nel proteggere l'elemento di tenuta con una protezione pesante, ad esempio mediante uno strato di ghiaia, pavimentazioni pesanti o terreno vegetale. Qualora tale configurazione non sia praticabile, la resistenza alla grandine può essere incrementata progettando correttamente l'intera stratigrafia: impiego di membrane di adeguato spessore e resistenza, pannelli termoisolanti con resistenza a compressione non inferiore a 150 kPa, assenza di vuoti al di sotto della membrana e stabilizzazione continua sul supporto.

Quali fattori incidono sulla resistenza alla grandine delle membrane impermeabili?

La resistenza alla grandine non è una proprietà della sola membrana impermeabile, ma dell'intero sistema di copertura. Nel caso delle membrane in bitume polimero incidono il tipo di compound, l'armatura, lo spessore, la finitura superficiale, il numero degli strati, il piano di posa e la modalità di applicazione. Per le membrane sintetiche assumono invece particolare importanza la tipologia del materiale e le sue caratteristiche meccaniche. In entrambi i casi, anche il supporto, l'isolamento termico, la qualità della posa e la continuità dell'adesione contribuiscono in modo determinante alla capacità del sistema di resistere all'azione dinamica della grandine.