Abstract

Nell’estate del 1999 è stata condotta una ricerca sperimentale su una copertura in scala reale e in ambiente reale con l’obiettivo di indagare gli effetti indotti nel flusso energetico entrante in un edificio a seguito di modificazioni geometrico - dimensionali delle bocche di ingresso e di uscita dell’aria nelle intercapedini di un tetto ventilato.

La copertura in questione era del tipo a due falde inclinate con manto in tegole di cemento, inclinazione 35%, lunghezza 7 metri per falda, larghezza 4 metri, esposizione delle falde nord-sud. La collocazione scelta è stata la campagna in zona Mirano (VE), in un sito pianeggiante con presenza di vegetazione arbustiva di basso fusto.

Sono state testate modifiche sulla linee di gronda e di colmo sia per soluzioni conformi alla pratica costruttiva che per situazioni proponibili solo sperimentalmente. Le prove hanno permesso di acquisire i necessari dati ambientali e, sulla copertura, la temperatura all’estradosso e all’intradosso del manto, sulla superficie inferiore delle intercapedini di ventilazione e all’intradosso del pacchetto di copertura in vari punti. Sono state inoltre rilevate le temperature e velocità dell’aria nella sezione delle camere ventilanti di prova. Per alcune prove si è provveduto anche alla videoregistrazione del comportamento dell’aria di ventilazione opportunamente miscelata con sostanze gassose traccianti.

Questa ricerca prosegue l’indagine di una analoga ricerca sui contributi termoigrometrici della ventilazione sottomanto svolta l’anno precedente. Alcuni dei risultati emersi sono stati pubblicati nel n.261-2000 della rivista Modulo, Be-Ma editrice, Milano.

Introduzione

Alcune ricerche riguardanti il sistema tecnologico del tetto ventilato negli ultimi anni hanno indagato lo spessore dello strato di ventilazione sottomanto in coperture a falde, individuando come ottimale valori attorno ai 7 cm (1). Altre indagini sperimentali hanno evidenziato come, tra 0 e 7 cm, al crescere dello spessore delle intercapedini non corrispondano sempre incrementi della portata di ventilazione (2). Dal confronto dei dati è possibile dedurre esistano altri fattori influenzanti il tiraggio naturale sottomanto.

Dato che il funzionamento efficace del tiraggio naturale, o effetto camino, è affidato a diverse variabili, tra le quali vi sono la dimensione e la geometria in ogni punto del condotto, il progetto della presente ricerca è nato con la volontà di indagare queste due fondamentali variabili in una zona circoscritta del tetto: la linea di colmo, indagando l’influenza della conformazione terminale dei condotti di ventilazione in prossimità della linea di colmo, tendenzialmente soggetti a restringimenti per garantire i requisiti di impermeabilità e antintrusione.

(1) All’interno dello IUAV di Venezia l’altezza ottimale delle intercapedini di ventilazione è stata indagata con simulazioni matematiche e prove sperimentali in ambiente controllato nella ricerca: “CNR Progetto Finalizzato Edilizia, sottoprogetto 3, qualità e innovazione tecnologica, unità operativa: Braas Italia - Wierer, Chienes (BZ) Responsabile scientifico Giovanni Zannoni, Gruppo di Lavoro: Fabio Legisa, Franco Laner, Francesco Mendini, Giorgio Raffellini - settembre 1990 - luglio 1992)”. Sullo stesso tema si è svolto invece un lavoro sperimentale in ambiente reale su un modello reale di copertura: Si tratta dell’indagine di Franco Favaro e Beatrice Simionato, "Studio della circolazione naturale dell'aria in un sistema di copertura a falde", confluito nell’omonima tesi di laurea, Relatore: Prof. Giovanni Zannoni, Correlatore Prof. Pierfrancesco Brunello, Istituto Universitario di Architettura di Venezia, A.A. 1996-'97 ). Si rimanda ai contenuti dei rispettivi rapporti di ricerca per quanto attiene alle caratteristiche morfologiche e dimensionali dei modelli di copertura indagati.
(2) La ricerca di Alessandro Stazi , Marco D'Orazio, Costanzo Di Perna e Alessandra Carbonari, condotta su una copertura reale all’interno del Dipartimento di Edilizia della Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Ancona, ha prodotto risultati parzialmente riportati in "Alla ricerca del dimensionamento" in Modulo n.252 del giugno 1999, da pag.532. Questo lavoro si è svolto in tre fasi: una prima fase sperimentale di confronto di modelli fisici in laboratorio, per la valutazione dell'incidenza dello spessore della camera di ventilazione, un secondo momento consistente nel confronto di sistemi mediante simulazioni fluidodinamiche, per la valutazione dell'incidenza della lunghezza della falda ed un ultimo stadio consistente nell’analisi di un tetto ventilato in ambiente reale, al fine di ottenere elementi di raffronto rispetto all'analisi in ambiente controllato e alle simulazioni fluidodinamiche.

La ricerca

Dato che l'indagine era rivolta anche alla conoscenza dei meccanismi che regolano e migliorano il deflusso dell’aria dall'intercapedine, che dopo aver sottratto calore all'intradosso del manto nella prima parte del suo cammino può cederne al pacchetto di copertura nel rimanente percorso e quindi deve defluire all’esterno il più rapidamente possibile, si è volutaincludere nel progetto anche l'analisi del possibile contributo che le tegole di aerazione, dislocabili in tutta la superficie del manto, possono fornire per migliorare o disturbare la ventilazione.

Le diverse prove sperimentali hanno indagato l’influsso della:

• dimensione dell'uscita dell'aria in colmo
• combinazione di diversi dispositivi di deflusso d'aria
• geometria degli elementi di colmo
• confluenza dei flussi ventilanti le due falde nel sottocolmo
• dimensione dell'ingresso d'aria in gronda
• disponibilità di differenti profili sottocolmo in commercio.

Si sono infine condotte riprese video sul comportamento del fluido di raffrescamento sottomanto al suo arrivo nello spazio di sottocolmo, sino all’uscita in atmosfera, con l’ausilio di gas traccianti.

La progettazione e realizzazione della copertura sperimentale

La copertura sperimentale è stata realizzata in aperta campagna a Mirano (VE – lat. 45°25') con due falde di 7 m di lunghezza ciascuna e 4 di larghezza,esposte a sud e nord con pendenza del 35%.

Come manto di copertura sono state impiegate delle tegole in cemento, data la loro particolare precisione geometrica, particolarmente adatta a limitare l’influenza di movimenti d'aria attraverso le discontinuità del manto. Il colore “rosso argilla" utilizzato, oltre che caratteristico della maggior parte delle coperture, ha permesso di utilizzare, nelle elaborazioni, un coefficiente di assorbimento superficiale medio rispetto alle finiture esistenti sul mercato.

Le camere ventilanti avevano larghezza di 75,8 cm (camere laterali di guardia) e 72,8 cm (camere centrali di prova) e altezza di 7 cm + 4 (altezza libera + altezza dei listelli di supporto del manto). In linea di gronda la sezione di ingresso dell'aria era alta 7 cm. Un elemento prefabbricato noto come listello aerato munito di pettine parapasseri permetteva di avere la prima fila di tegole di gronda con la medesima pendenza delle tegole superiori simulando la situazione di posa reale di questo genere di manti di copertura.

Metodologia di prova ed elaborazione dei dati

Nel corso delle indagini preliminari, durante le quali la copertura è stata monitorata lungo le 24 ore, è stata osservata, come è intuibile, una notevole influenza della intensità e della direzione del vento sul funzionamento del sistema, influenza sensibilmente più importante della forzante della temperatura delle tegole nel condizionare l’andamento della ventilazione passiva sottomanto. Si è scelto perciò, nella fase di elaborazione dei dati acquisiti, di dare maggior peso ai confronti tra i dati ottenuti da rilievi con regime di vento più simile (ogni prova è stata ripetuta al fine di permettere questo genere di selezione da 8 a 14 volte). E' stato valutato il flusso di calore eliminato per ventilazione nelle varie conformazioni della copertura, considerato come l'aria entri in intercapedine a una temperatura t_a (t aria esterna in ombra) ed esca a una temperatura maggiore t_f.

Indicando con m_i e m_f le portate d'aria in ingresso e in uscita dell'intero condotto, comprendente sia la camera di ventilazione che la parte soprastante (volute delle tegole e spessore dei listelli di aggancio), si può calcolare il flusso termico di ventilazione q_v.

Le portate d'aria sono state calcolate quindi con la formula: m_x = V_x · ρ_x

con:

m_x portata di massa
V_x portata volumica
ρ_x densità del fluido

Il flusso termico di ventilazione è stato così determinato: q = m_f · c_p · ( t_f - t_a )

con:

m_f portata massica nella sezione di fine falda
c_p calore specifico dell'aria
t_f temperatura dell'aria esterna in ombra
t_i temperatura dell'aria nella sezione di fine falda

Per l’acquisizione dei dati nel corso delle prove la superficie della copertura è stata suddivisa in una maglia piana con 9 nodi per il posizionamento delle sonde e in 4 strati di profondità individuati da:

• estradosso tegole
• intradosso tegole
• superficie inferiore delle camere di ventilazione
• intradosso del pacchetto.

Variazioni dimensionali dell'uscita al colmo

Si è osservato il comportamento del sistema al variare della sola dimensione di uscita dell’aria al colmo, modificata da un sistema di sei pistoni che permettevano di sollevare la struttura di colmo ad altezze differenti. Si sono condotte prove con gli elementi di colmo sollevati da 1 a 6 cm, rispetto alla posizione di colmo semplicemente appoggiato, con incrementi di 1 cm.

Il semplice appoggio dei copponi di colmo sulle creste delle tegole dell'ultima fila lascia libera una superficie di sbocco in atmosfera pari a 350 cm2/m circa. Questo valore si situa nella fascia medio-alta delle dimensioni di uscita dichiarate dai produttori per elementi sottocolmo in commercio. Si è perciò testato anche l’effetto di riduzione di questo valore alla sua metà, occludendo una voluta su due, ottenendo una sezione di 175 cm²/m, dimensione più vicina a quella dei profili ventilanti sottocolmo in commercio. Sono state misurate anche le prestazioni di un colmo "posato in malta" (0 cm²/m).

Nel variare la sezione di ventilazione dell’aria in uscita in colmo da 175 a 350 cm2/m si è ottenuto un miglioramento dell'efficienza della ventilazione superiore al 200% (fino al 236%), ma la serie di prove successive ha dimostrato che un confronto tra soluzioni di sottocolmo basate sul solo dato dimensionale non era sufficiente a una reale valutazione dell’efficacia del sistema.

Passando infatti da un colmo realizzato senza profilo impermeabile-ventilante sottocolmo a uno dotato di elemento sottocolmo con sezione ventilante dichiarata di 380 cm²/m, il risultato è stato di una riduzione dell'efficienza del 50%. Analoga prova con un elemento sottocolmo con sezione ventilante dichiarata di 210 cm²/m ha dato efficienza maggiore rispetto alla precedente. Ciò ha spostato l’attenzione sulle geometrie che si realizzano nel tratto terminale dei condotti di ventilazione, anche perché all'aumentare della sezione ventilante in uscita oltre 950 cm²/m (3 cm di sollevamento del sistema-colmo) si è ottenuta una progressiva diminuzione di efficienza.

Variazioni della distanza tra i due correntini per l'aggancio delle tegole in prossimità del colmo

La norma UNI 9460 (Coperture discontinue. Codice di pratica per la progettazione e l’esecuzione .....) consiglia alcuni dati dimensionali per la realizzazione di una copertura a falde a manto discontinuo. In particolare evidenzia come l'ultimo correntino di supporto e aggancio delle tegole in prossimità della linea di colmo debba essere fissato in modo che il suo spigolo inferiore disti dall'analogo spigolo del correntino sull'altra falda di 6-7 cm, generando una sezione di uscita massima di 600-700 cm²/m circa. Sono state quindi condotte delle prove con arretramento progressivo di tali correntini, con il colmo privo di profili sottocolmo.

Partendo dalla situazione conforme alla UNI 9460 e passando all’arretramento di 1 cm di entrambi i correnti si è ottenuto un guadagno in efficienza del 40%. Portando l’arretramento a 2 cm il contributo migliorativo è salito al 168%. Seppure di difficile realizzabilità le soluzioni con arretramento di 3 cm hanno dato un valore di efficienza pari a 3,68 volte quella di riferimento. Oltre 4 cm di arretramento si sono registrati invece cali prestazionali.