ACOPERIȘURI EFICIENTE DIN PUNCT DE VEDERE

HIGROTERMIC

Dorin Maier, Dumitru Marusciac, Alma Varga

Rezumat

Acoperișurile sunt acele subansamble prin intermediul cărora se realizează

închiderea la partea superioară și care au ca rol principal protecția împotriva

factorilor climatici exteriori, vânt, ploaie, soare, diferențe de temperatură.

Posibilitățile constructive de realizare a acoperișurilor sunt multiple, iar soluția ideală

este aleasă în funcție de mai mulți factori, cum ar fi cerințe de rezistență de mecanica

precum și cerințe de ordin arhitectural, estetic. Lucrarea își propune să prezinte un

alt aspect foarte important, de care este nevoie să se țină cont în alegerea tipului

constructiv de acoperiș pentru construcții civile, și anume aspectul higrotermic. Sunt

prezentate principalele tipuri de acoperișuri cu pantă, clasificate din punct de vedere

higrotermic, cu toate particularitățile lor. De asemenea este prezentată o analiză

comparativă între cele două mari categorii de acoperișuri, din punct de vedere

higrotermic, acoperișurile neventilate și acoperișurile ventilate.

1. INTRODUCERE

Acoperișurile unei clădiri sunt subansamblele prin intermediul cărora se

realizează închiderea la partea superioară, având ca funcțiune principală de a o

proteja împotriva acțiunii agenților climaterici, radianței solare și variației de

temperatură [1].

Higrotermica este o ramură a fizicii construcţiilor în cadrul căreia sunt studiate

acele fenomene şi caracteristici ale clădirilor ce au în vedere satisfacerea cerinţelor de

viaţă ale oamenilor şi în special protecţia contra agenţilor climatici: variaţii de

temperatură şi de umiditate, vânt, ploaie, zăpadă etc. Astfel, sunt investigate procesele

de transfer de masă şi căldură în construcţii, respectiv transmisia vaporilor de apă

(higro) şi a căldurii (termo) prin elementele de construcţii, precum şi efectele pe care

aceste procese le au asupra condiţiilor de microclimat interior, a condiţiilor de igienă şi

confort, a durabilităţii şi a caracteristicilor fizice ale elementelor [2].

Având în vedere rolul și funcțiile îndeplinite în ansamblele unei clădiri,

acoperișurile în general, trebuie să satisfacă în principal condițiile capitale (rezistență la

agenți climatici, gradul de impermeabilitate și rezistență la foc) și condițiile mecanice,

referitoare în general la rezistența și stabilitatea sub acțiunea încărcărilor verticale și

orizontale pe toată durata de exploatare. Pe lângă condițiile capitale și mecanice,

acoperișurile trebuie să satisfacă și o serie de alte condiții dintre care se remarcă

cerințele de ordin arhitectural estetic referitoare, în special, la plastica și compoziția

arhitecturală, respectiv la tipul de acoperiș și alcătuirea constructivă și de rezistență.

Din punct de vedere al comportării higrotermice, acoperişurile clădirilor

încălzite se clasifică în: acoperişuri cu alcătuire compactă, neventilate și acoperişuri cu

alcătuire ventilată [3]. Acoperişurile cu alcătuire compactă sunt acoperişurile la care straturile

componente se află în contact direct unul cu altul. Din categoria acoperişurilor cu

alcătuire compactă fac parte acoperişurile la care stratul termoizolant nu este prevăzut

cu canale de ventilare; în structura acoperişului pot fi straturi de aer, dar care nu

comunică cu atmosfera (planşee cu goluri, etc.). Eventualele straturi de difuzie din

componenţa structurii termohidroizolante a acoperişului nu schimbă încadrarea

acoperişului din grupa acoperişurilor cu alcătuire compactă.

Acoperişurile cu alcătuire ventilată sunt acoperişurile la care stratul

termoizolant: este prevăzut cu canale de ventilare (care comunică cu atmosfera),

dispuse în structura sa; este amplasat distanţat, fie faţă de stratul suport, fie faţă de

stratul de protecţie (astereală, învelitoare, hidroizolație, etc.), astfel încât să formeze un

strat de aer ventilat. Din categoria acoperişurilor cu alcătuire ventilată fac parte

acoperişurile terasă la care stratul termoizolant este prevăzut cu canale sau straturi de

ventilare precum şi acoperişurile cu pod ventilat.

2. ACOPERIȘURI VENTILATE

Acoperişurile cu alcătuire ventilată sunt acoperişurile la care stratul

termoizolant fie este prevăzut cu canale de ventilare (care comunică cu atmosfera),

dispuse în structura sa; fie este amplasat distanţat, fie faţă de stratul suport, fie faţă de

stratul de protecţie (astereală, învelitoare, hidroizolaţie, etc.), astfel încât să formeze un

strat de aer ventilat.

Din categoria acoperişurilor cu alcătuire ventilată fac parte acoperişurile terasă

la care stratul termoizolant este prevăzut cu canale sau straturi de ventilare precum şi

acoperişurile cu pod ventilat. În funcție de modul de dispunere a izolației se disting

două tipuri de acoperișuri ventilate: acoperișuri reci ventilate și acoperișuri calde

ventilate.

2.1. Acoperișuri reci ventilate

Acoperișurile reci ventilate se caracterizează prin existența între învelitoare și

izolația termică a unui spațiu intermediar denumit pod, care comunică cu atmosfera sau

a unei învelitori discontinue permeabilă la aer [4]. Vântul și diferențele de temperatură

determină ventilarea naturală intensă a întregului acoperiș, peste izolarea termică, ceea

ce se reflectă favorabil în comportarea higrotermică a acestuia (fig.1. )

În general aceste acoperișuri sunt înclinate, cu pantă mare, corespunzător

tipurilor clasice de alcătuire cu învelitori de țiglă, tablă etc. și cu pod utilizabil în

scopuri gospodărești. Se mai pot realiza și acoperișuri reci, ventilate care au numai pod

tehnic de înălțime redusă, dispus între învelitoare și izolație termică, precum și fără

pod, dar cu învelitoare permeabilă la aer.

Fig. 1 Detalii ale unui acoperiș rece ventilat[5]

Sub influența diferențelor de presiune atmosferică și de presiune relativă,

vaporii de apă migrează de la ultimul nivel al clădirii spre acoperiș în cadrul unui

proces complex de filtrare și difuziune. Ajungând în zona rece de sub învelitoare și

neavând posibilitatea de a se răspândii în atmosferă, vaporii ating presiunea de

saturație și condensează , fenomen care se evită prin folosirea unor acoperișuri reci,

ventilate. În acest caz, curenții de aer, care vin din exterior și se încălzesc în pod cu

câteva grade, antrenează apa sub formă de vapori astfel încât fenomenul de condens

poate fi împiedicat.

Podul ventilat mai are si avantajul că permite controlul învelitorii astfel că la

infiltrațiile accidentale, defecțiunile pot fi imediat localizate și se pot lua cu ușurință

măsurile necesare pentru limitarea degradărilor.

Suprafețele expuse radiației solare devin mai calde decât aerul înconjurător,

mai ales dacă au culoare închisă. Datorită acestui fenomen ultimul nivel se

supraîncălzește, ceea ce dăunează confortului în timp de vară, iar structura de rezistență

se încarcă cu eforturi mari, care se suprapun peste cele provenite din încărcările

verticale și orizontale. Acest efect este cu atât mai important cu cât structura ultimului

nivel este mai rigidă ți are mai multe legături.

Stratul intermediar de aer ventilat reduce efectul de încălzire întrucât separă

învelitoare de termoizolație și mai ales că aerul rece care circulă determină o scădere a

temperaturii învelitorii și suportului său.

Bariera de vapori dispusă sub termoizolație se recomandă ca o măsură de

precauție suplimentară în cazul când ventilarea nu este suficient de activă, pentru a

împiedica infiltrațiile excesive de aer și vapori de apă prin termoizolație dacă această

este executată din materiale ușoare, permeabile la aer și nu este dispusă pe un suport cu

rezistență mare la vaporii de apă. De asemenea bariera de vapori poate servi drept

ultimă protecție a tavanului împotriva unor infiltrații de apă de sus în jos, care sunt

posibile în timpul executării lucrărilor, când învelitoarea este defectă sau pe timp de

furtună. La acoperișurile ventilate, straturile de termoizolație se dispun în pod și în

cazul când aceasta nu există sub învelitoare.

Cu excepția perioadelor de vânt, circulația aerului este o consecință a

diferențelor de presiune generate de diferențele de temperatură (fig.2). Din această

cauză este bine ca orificiile de admisie a aerului să fie dispuse cât mai jos posibil, iar

cele de evacuare cât mai sus.

În condițiile pantelor acoperișului, învelitoarea trebuie să împiedice infiltrațiile

de apă, chiar și pe timp de furtună, asigurând scurgerea apelor până la jgheaburi și

burlane sau guri de colectare. Învelitoarea trebuie să reziste la variații de temperatură

între -30…+800C, la îngheț dezgheț, la circulația prevăzută prin proiect pentru

întreținere, să contribuie la satisfacerea exigențelor de durabilitate, confort și estetica

clădirii. Tipul de învelitoare se stabilește în funcție de destinația clădirii și cu criterii

privind durabilitatea, rezistența la foc, economicitatea, disponibilul de materiale etc.

2.2. Acoperișuri calde ventilate

Din cauza fenomenelor de condens, acoperișurile calde neventilate nu pot fi

utilizate peste încăperi cu umiditate relativă interioară mare. Acoperișurile calde,

ventilate constituie o perfecționare relativ recentă a soluțiilor de acoperișuri și se

caracterizează prin faptul că includ spațiile libere pentru ventilare. Aerul rece care

circulă prin interiorul acoperișului antrenează vapori de pa și ii conduce spre exterior

mult mai repede decât este posibil prin procesul de difuziune (fig. 3.).

Pentru proiectarea acoperișurilor calde ventilate, trebuie să se calculeze : viteza

de circulație a aerului în spațiu de ventilare; efectul ventilării asupra temperaturii

diverselor straturi ale acoperișului; influența ventilării asupra regimului de umiditate a

acoperișului.

Fig. 3. Alcătuirea unui acoperiș cald cu membrană permeabilă [5]

Deși prezintă asemănări cu acoperișurile reci aceste acoperișuri ventilate

trebuie considerate calde întrucât: exceptând faptul că sunt prevăzute cu un spațiu de

ventilare structura lor este identică cu cea a coperișurilor calde; nu au pod, aerul nu

străbate învelitoarea care este continuă și impermeabilă; influența ventilării asupra

regimului de temperatură al acoperișului este mică, limitata la o porțiune de capăt,

astfel că învelitoarea se află iarna la o temperatură superioară celei de la acoperișurile

reci și identică cu cea a acoperișului cald cu structură corespunzătoare (fig. 4.).

3. ACOPERIȘURI COMPACTE, NEVENTILATE

Aceste acoperișuri se caracterizează prin faptul că sunt compacte, fără pod sau

un alt spațiu prin care ar putea circula aer pe sub învelitoare. În general acoperișurile

calde reazemă direct pe elementul portant (planșeu, pânză, subțire). și indiferent de

pantă se prevăd cu învelitori de tip continuu.

Comportarea acestor tipuri de acoperișuri este mai puțin favorabilă decât a

celor reci, deoarece nu beneficiază de avantajele unei ventilări interioare intense, astfel

că: sub influența radiaților solare calde se încălzesc mai puternic decât cele reci; sunt

expuse umezirii prin condens sub învelitoare, deoarece nu respiră spre exterior; apă

inițială de construcție rămasă sub învelitoare, la care se adaugă ulterior și cea de

condens, se elimină greu și datorită umidității care poate atinge astfel de valori ridicate,

capacitatea de izolare termică a acoperișului este diminuată; din cauza variațiilor mari

de temperatură și de umiditate la care sunt inevitabil supuse acoperișurilor de acest fel,

există tendința apariției de fisuri care afectează defavorabil funcționarea și durabilitatea

straturilor componente transmițându-le solicitări suplimentare elementelor structurii de

rezistență de sub acoperiș; defecțiunile și cauzele lor sunt mai greu de localizat și de

explicat deoarece sunt efectul unor fenomene complexe care interacționează, iar

remedierile implică lucrările de amploare.

Acoperișurile calde sunt utilizate deoarece nu necesită o șarpantă de lemn, au o

înălțime de construcție redusă, nu sunt vizibile de la nivelul străzii, pot fi utilizate ca

punct gospodăresc sau în alte scopuri și corespund cerințelor estetice ale arhitecturii

contemporane.

Acoperișurile înclinate nu necesită un strat de pantă, deoarece acesta rezultă

chiar din poziția elementului portant. Acoperișurile calde sunt sensibile la fenomenele

de condens deoarece izolația hidrofugă situată la partea superioară este un strat aproape

impermeabil la vaporii de apă. Bariera de vapori, obligatorie la acoperișurile calde sub

stratul de termoizolație, are rolul de a diminua cantitatea de vapori care migrează de jos

în sus și care se acumulează în acoperiș, condensând în partea rece a termoizolației.

Izolația termică are un rol esențial în ceea ce privește comportarea

higrotermică a acoperișurilor calde, neventilate deoarece: limitează pierderile de

căldură în perioada rece a anului iar în timpul verii reduce fluxul de căldură care tinde

să pătrundă de la exterior spre interior; reduce la minimum variațiile de temperatură ale

structurii de rezistență; influențează migrația apei în structura acoperișului și evitarea

fenomenelor de condens.

Stratul suport al hidroizolației, îndeplinește în primul rând funcțiunea de a

asigura o suprafață continuă, netedă, plană în câmp și rotunjită la contactul cu

elementele verticale, pe care să poată fi așezată hidroizolația. În același timp, suportul

contribuie la îmbunătățirea condițiilor de solicitare a hidroizolației și termoizolației,

moderând intensitatea și efectul acțiunilor termice la care sunt supuse. Astfel dacă

între hidroizolație și termoizolație se află un strat suport capabil să absoarbă o parte din

căldura pe care învelitoarea o primește de la soare, atunci temperaturile maxime pe

suprafața învelitorii sunt mai mici.

La acoperișurile calde, neventilate, învelitoarea trebuie să asigure o protecție

totală împotriva infiltrațiilor de apă; din această cauză ea trebuie sa fie continuă și este

de fapt o izolație hidrofugă. Învelitoarea trebuie să satisfacă condiții severe în ceea ce

privește materialele utilizate, precum și ca alcătuire, datorită expunerii la radiații, la

variații mari de temperatură (uneori intre -15…+800C), la deformații apreciabile ale

suportului, la pericolul de putrezire și la presiuni locale.

4. ANALIZĂ COMPARATIVĂ ÎNTRE ACOPERIȘURILE

NEVENTILATE ȘI CELE VENTILATE.

Comportamentul acoperișurilor în exploatare pe perioade lungi de timp este

influențat și de aspectul higrotermic. Astfel acoperișurile pot să răspundă foarte bine

cerințelor de ordin structural, mecanic și arhitectural în momentul execuției dar să se

degradeze foarte repede în timp, datorat în primul rând excesului de umiditate. Pentru

a evita acest lucru este necesar să se acorde o importanță sporită evacuării umidității în

exces adoptând soluțiile constructive potrivite.

În cazul acoperișurilor cu structură de lemn, umiditatea în exces poate duce la

degradarea componentelor structurii de rezistență, făcând astfel necesară efectuarea de

lucrări de reparații costisitoare. Acoperișurile pot fi clasificate și în funcţie de

suprafaţa orificiilor de admisie a aerului raportată la metru pătrat de suprafaţă de

acoperiş, obținând astfel acoperișuri:

neventilate, când suprafaţa orificiilor de admisie este < 500 mm2/m

2 ;

slab ventilate, când suprafaţa orificiilor de admisie este ≥ 500 mm2 /m

2 dar

≤ 1500 mm2/m

2 ;

puternic ventilate când suprafaţa orificiilor de admisie este > 1500 mm 2/m

2

Comportamentul acoperișurilor neventilate și ventilate din punct de vedere al

umidității, este ilustrat în figura 6.

Fig. 6. Diferența dintre un acoperiș ventilat și unul neventilat [7].

Se poate observa că acoperișurile neventilate nu permit evaporarea umidității,

iar umiditatea în exces blocată la nivelul podului poate să ducă la apariția de mucegai

pe pereții clădirii și în final la degradarea structurii de rezistență a acoperișului. Spre

deosebire de acoperișurile neventilate, acoperișurile ventilate permit evacuarea

umidității menținând astfel podurile și structura de rezistență din lemn uscate și curate,

evitând astfel riscul de degradare.

Diferența dintre acoperișurile neventilate și ventilate se face simțită și în

timpul verii, așa cum este arătat în figura 7.

Fig.7. Diferența de temperatură dintre un acoperiș neventilat și unul ventilat pe timp de vară [7]

În timpul verii căldura și umiditatea acumulată la nivelul podului poate

determina creșterea umidității precum și temperaturi ridicate la nivelele superioare ale

clădirilor. Temperatura învelitorii ajunge pana la 800C în timpul verii, iar această

temperatură ridicată este transferată podului, care în cazul acoperișurilor neventilate

ajunge la 600C. Temperatura ridicată acumulată în pod este transferată spațiului

locuibil de sub pod, efectul făcându-se simțit în costurile mai mari pentru eliminarea

temperaturii prin folosirea aparatelor de aer condiționat. Acest dezavantaje se poate

elimina prin alegerea unor acoperișuri bine ventilate, care conduc la o scădere a

temperaturii de 800C înregistrată la nivelul învelitorii, până la 46

0C.

Iarna, datorită stratului de aer intermediar, învelitoarea rămâne rece și ca

urmare zăpezile adunate nu se topesc prematur și staționează în grosime mică peste

învelitoare. Dacă zăpada s-ar topi și s-ar scurge de pe acoperiș, atunci apa ar îngheța în

dreptul streșinii umplând jgheaburile care sunt mai reci și le-ar deforma (fig.2). Un

astfel de fenomen se constată aproape întotdeauna la acoperișurile calde cu scurge

exterioară. În condițiile acoperișului rece acest fenomen nu se produce, deoarece

zăpada acoperă învelitoarea discontinuă astupând temporar rosturile, astfel că procesul

de ventilare scade în intensitate și capacitatea de izolare termică se mărește temporar.

Fig. 2 . Efectul topirii zăpezii la un acoperiș neventilat [7]

Ulterior, când temperatura exterioară revine la valori pozitive, zăpada se

topește și se scurge dar nu îngheață în jgheaburi și procesul de ventilare devine din nou

intens. În acest fel are loc un fenomen de autoreglare, a cărui consecință este că

majoritatea acoperișurilor reci se comportă bine din punct de vedere higrotermic chiar

și în cele mai dificile condiții de climă și de exploatare interioară. Puține excepții pot fi

observate când jgheaburile se înfundă cu murdării și rețin apa care apoi îngheață sau

când porțiuni ale acestora, orientate spre nord sunt reci decât învelitoarea de pe care

scurge apa.

CONCLUZII

Rolul principal al acoperișurilor este de a proteja spaţiul interior de efectul

intemperiilor, contribuind la menţinerea climatului necesar desfăşurării normale a

activităţilor din încăperile respective. În vederea îndeplinirii acestor cerințe aspectele

legate de higrotermica acoperișurilor sunt foarte importante. Sub aspect higrotermic

mai sus au fost prezentate cele două mari categorii de acoperișuri, acoperișurile

ventilate și acoperișurile neventilate.

Se poate concluziona că acoperișurile reci, ventilate intens, se comportă din

punct de vedere higrotermic mai bine decât acoperișurile calde, neventilate sau slab

ventilate. Comportarea superioară a acoperișurilor ventilate față de cele neventilate se

face simțită asupra costurilor mai scăzute de întreținere în timpul exploatării acestora.

Acoperişurile cu alcătuire ventilată se pot utiliza atât la clădiri cu regim normal

de umiditate cât şi la clădiri cu umiditate relativă ridicată (φi > 75%). La clădirile cu

umiditate relativă ridicată (φi > 75%) este recomandabil să se utilizeze acoperişuri cu

strat de aer puternic ventilat.

Aspectul higrotermic, în cazul acoperișurilor, trebuie să aibă o importanță

majoră în alegerea tipului de acoperiș folosit pentru clădirile civile. O rezolvare

higrotermică inteligentă a acoperișurilor elimină pericolul de degradare a elementelor

de rezistență prin acumularea umidității și apariția mucegaiurilor sau prin acumularea

de încărcări locale datorate zăpezii, elimină pericolul de supraîncălzire a nivelurilor

superioare a clădirii, toate acestea conducând în final la economii substanțiale în

costurile de exploatare a clădirilor civile în general.

EFFECTIVE HYGROTHERMAL ROOFS

Abstract

Roofs are those parts through which it can close the top and have the

main role of protection against external climatic factors, wind, rain, sun,

temperature differences. Possibilities of achieving constructive roofs are

multiple, and the ideal is chosen based on several factors, such as mechanical

strength requirements and the architectural requirements, aesthetic. The paper

aims to present another very important aspect that needs to be taken into

account in choosing the type of roof construction for civil building, namely

hygrothermical appearance. Are the main types of slope roof, classified in

terms hygrothermical, with all their peculiarities. It also presents a

comparative analysis between the two main types of roofs, in terms higrotermic

roofs unventilated and ventilated roofs.

Bibliografie

[1] Marusciac, Dumitru, Construcții moderne din lemn , Editura Tehnică, București,

1997.

[2] Horia, Andreica, Construcții civile, Editura U.T. Press, Cluj Napoca, 2010,

[3] "Normativ pentru proiectarea si execuţia lucrărilor de izolaţii termice la clădiri",

indicativ C107/002

[4] Negoiță, Alexandru, et. al., Construcții civile, Editura Didactică și Pedagogică,

București, 1978.

[5] http://www.superglass.co.uk/product_solutions/roofs_and_celings/pitched_roofs/. [6] http://www.roofmaintenance.ca/ventilation.html [7] http://www.consumerconstruction.com/our-services/roofing/attic-ventilation/