Ai giorni d’oggi si rimane sempre stupiti al cospetto di maestosi edifici che a livello artistico oramai rappresentano delle vere e proprie opere d’arte contemporanea. Grazie alla continua ricerca di forme sempre più elaborate e fantasiose, con l’unico scopo di incantare e rapire l’attenzione del passante, si è riusciti ad ottenere strutture capaci di coprire spazi sempre più vasti, utilizzando materiali di facile reperibilità e messa in opera come legno, l’acciaio e il calcestruzzo e dell’applicazione della teoria della catenaria.

L’uomo fin dalla notte dei tempi è in una continua competizione con se stesso per riuscire a superare i propri limiti e sviluppare tecnologie sempre più avanzate. Tale competizione ha portato a estremizzare al massimo concetti strutturali relativamente semplici, come quello della catenaria, che vengono tuttora impiegati nello studio e la realizzazione di strutture di tendenza proprio come quella del museo Centre Pompidou-Metz in Francia con struttura portante in legno.

Centre Pompidou – Francia

Di fatto il grande vantaggio nell’impiego di tali strutture, è quello di riuscire a ricoprire grandi luci, con un impiego limitato di materiale dovuto alla diminuzione delle sezioni, e lo sfruttamento ottimale di quelle che sono le caratteristiche meccaniche intrinseche dei diversi materiali con il vantaggio finale di un considerevole alleggerimento del peso della copertura.

Nel caso delle strutture che lavorano a compressione o a trazione si riesce, tramite l’applicazione del semplice concetto della catenaria, a far sì che ogni singolo elemento che compone la copertura sarà soggetto alla sola azione assiale. Questa caratteristica, rende possibile l’ottimizzazione dell’impiego di materiali come il calcestruzzo, l’acciaio e il legno, in quanto le strutture risultano essere relativamente più leggere e capaci di coprire a conti fatti superfici più ampie.

Bisogna specificare che quando siamo di fronte a strutture che lavorano a sola compressione bisognerà parlare di ”gusci a reticolo” mentre nel caso opposto ci troveremo di fronte a ”tensostrutture”.

Riguardo l’impiego del calcestruzzo in tali applicazioni è doveroso ricordare la Restaurante Los Manantiales in Messico, una struttura davvero suggestiva nata dall’architetto ingegnere Felix Candela nel 1958, composta da sottili fogli di calcestruzzo armato gettato in opera con spessore costante di circa trenta centimetri, che vanno a formare una serie circolare di paraboloidi che lavorano prevalentemente a compressione sfruttando al meglio quelle che sono le caratteristiche del calcestruzzo.

Restaurante Los Manantiales – Messico

Mentre per le tensostrutture si può notare il magistrale impiego di acciaio zincato da parte dell’ingegnere architetto Frei Otto per la realizzazione del Olympiapark di Monaco di Baviera in Germania inaugurato in occasione delle olimpiadi del 1972.

Olympiapark di Monaco di Baviera – Germania

E’ in opere come queste che è possibile ammirare appieno quelle che sono le infinite possibilità di forma offerte da queste categorie di costruzioni.

Ma come si effettua lo studio di queste tipologie strutturali?

Partiamo dal principio, quando ancora non esistevano calcolatori automatici, e dove i calcoli e le verifiche si effettuavano ancora a mano asta dopo asta, nodo dopo nodo. Bisognava dunque avere una grande pazienza o cercare un metodo che restituisse subito un riscontro in scala su quelle che potevano essere le capacita di portanza della struttura riducendo la mole di calcoli.

Si intuì che il concetto della catenaria, che si ricorda basato sul fatto che gli elementi che compongono la catena si dispongono nello spazio seguendo l’andamento della curva delle pressioni lavorando con sola azione assiale, poteva essere sfruttato per lo sviluppo di strutture molto più articolate che avrebbero lavorato a sola compressione. Infatti tutto si basava sulla ricerca della “forma” strutturale che avveniva spesso con processi di tipo geometrico o fisico.

Nel caso di sviluppo di forme con processi geometrici si ricorreva all’ausilio di superfici traslazionali con le quali si determinavano le curva direttrici che andranno a definire la forma della copertura. Un’applicazione di tale metodo la si può ritrovare nello studio della copertura del Hippo Huose Zoo di Berlino riportato nell’immagine seguente.

 

Hippo House Zoo – Berlino

 

La ricerca della “forma” poteva avvenire anche per processi di tipo fisico. A questo modello hanno fatto riferimento grandi architetti e ingegneri come Antoni Guadì per la realizzazione della celebre cattedrale “La Sagrada familia” a Barcellona, in Spagna e Frei Otto nella realizzazione della tensostruttura del Olympiapark di Monaco di Baviera in Germania e del “Multihalle” in Mannheim in Germania. Quest’ultima struttura attualmente risulta essere uno dei reticoli a guscio in legno fra i più grandi al mondo.

Sagrada familia – Spagna

 

Multihalle – Germania

Lo studio strutturale

Lo studio strutturale avveniva in laboratorio su modelli in scala costruiti tramite l’impiego di maglie a rete, i quali venivano capovolti e sottoposti a gravità (nel caso dello studio di gusci a reticolo) o venivano tirati da cavi (nel caso di tensostrutture) e modellati manualmente finché, la forma tridimensionale ottenuta non raggiungesse la forma ricercata. Una volta ottenuta la forma desiderata si procedeva, tramite l’ausilio di strumenti analogici, con l’acquisizione delle coordinate di tutti i nodi del modello riferiti ad una quota ben precisa. Queste coordinate venivano successivamente trasformate in coordinate reali ottenendo così il progetto esecutivo vero e proprio, con la certezza che la struttura, se costruita a regola d’arte, avrebbe reagito totalmente a compressione o trazione a seconda dei casi.

Quindi è possibile ammettere che queste strutture rappresentano delle vere e proprie opera d’arte uniche nel loro genere.

Per contro a quei tempi non era affatto semplice verificare tutti i diversi componenti strutturali e dunque ci si limitava a fare una analisi molto grossolana tramite l’utilizzo di coefficienti di sicurezza molto grandi cercando di mettersi il più possibile a favore di sicurezza cercando di prevedere possibili fenomeni di instabilità statica. Di fatto venivano trascurate anche le azioni dinamiche provenienti dai sisma.

Nella progettazione moderna, l’analisi strutturale avviene tramite l’ausilio di calcolatori automatici. Si utilizzano software strutturali agli elementi finiti FEM tramite i quali, una volta acquisita la “nuvola” di punti 3D generata sempre più fantasiosamente con l’ausilio di applicazioni CAD, è possibile generare un modello strutturale virtuale composto da aste e nodi.

Su tale modello in seguito si avviano le analisi di tipo statiche e dinamiche riuscendo a valutare quelle che sono le sollecitazioni per ogni elemento e rendendo dunque la verifica strutturale relativamente più rapida e semplice.

Di seguito si riporta l’esempio di una analisi dinamica effettuata con software di calcolo automatico agli elementi finiti della copertura del British Museum di Londra.

 Analisi dinamica di una modellazione del British Museum