Che cos’è la Tensegrità? Meccanica delle strutture vs gravità

La Tensegrità è la capacità di una struttura di equilibrarsi, quindi di garantire stabilità, tramite la presenza contemporanea sia di sforzi di trazione che di compressione. Dall’inglese Tensegrity, è letteralmente la fusione di due termini “Tensione” e “Integrità”, intesa come coesione degli elementi. E’ stato coniato dal famoso architetto/designer Richard Buckminster Fuller come sinonimo del concetto di “Integrità tensionale” o “Coesione tensionale”. Mentre negli ultimi anni si è fatta avanti un’ulteriore definizione di Kenneth Snelson, celebre scultore contemporaneo, ovvero “compressione fluttuante”, di sicuro poco convincente.

Il concetto nasce negli anni ’60, periodo in cui esplode in tutto il mondo il fenomeno dell’International Style. Il primo grande esempio di questa concezione strutturale è l’arena di Spodek. Qui la copertura inclinata è sostenuta da un sistema di cavi ancorati lungo la circonferenza. Oltre al progetto strutturale di Wacław Zalewski, anche la Olympic Gymnastics Arena di Seul è un magnifico esempio di Tensegrità.

Quindi cos’è la Tensegrità?

Le strutture dotate di Tensegrità sono quelle progettate unicamente con sforzi di tensione e compressione puri. E’ totalmente assente quindi la componente flessionale, torsionale e tagliante. Per far sì che ciò avvenga è necessaria la precompressione e la pretensione degli elementi strutturali. Arrivati a questo punto la scelta del materiale risulta fondamentale e la geometria degli elementi una questione secondaria. Risulta evidente che scegliere l’acciaio per elementi tesi o calcestruzzo armato per quelli compressi, ad esempio, fa la differenza.

La caratteristica principale però è la coesione. Perché una struttura così concepita più è caricata verticalmente più è rigida. Ciò comporta una stabilità meccanica eccezionale garantita dello stesso sistema dei carichi. Protagonista di questo gioco di forze è quindi la massa propria della struttura che è l’incognita da dimensionare per mantenere in equilibrio la struttura ma non deve causare deformazioni duttili o rotture degli elementi. Tutte queste caratteristiche fanno sì che la Tensegrità provochi una riposta auxetica, cioè con Coefficiente di Poisson negativo. Questa peculiarità comporta che se si comprime la struttura, grazie alla risposta tensionale, essa tende a restringersi nel verso ortogonale al carico.

La struttura di Tensegrità a tre aste, chiamata prisma a 3 vie, ha la proprietà che: una data lunghezza dell’asta compressa (tre in totale) e una data lunghezza del cavo teso (sei in totale) collegando insieme le estremità delle aste, fa sì che la struttura mantenga una forma stabile. Per una struttura del genere, è semplice dimostrare che il triangolo formato dalle sommità delle aste e quello formato dai fondi delle aste sono ruotati l’uno rispetto all’altro di un angolo di 5π/6 radianti. Un ulteriore modello matematico è quello dell’icosaedro, la cui dimostrazione segue un procedimento più complesso.

Il ponte Kurilpa, il più lungo con Tensegrità del mondo

Il ponte strallato di Kurilpa è il più lungo al mondo dotato di struttura progettata secondo i principi di Tensegrità. Raggiunge 450 metri con la campata massima di 128 metri di luce. La struttura in acciaio è composta da 20 alberi e 16 longheroni, con 72 piastre di calcestruzzo armato per realizzare le piattaforme. La particolarità di questo progetto sta proprio nel dimensionamento, in quanto sbagliare, anche di poco, la sezione di uno dei cavi di tensegrità posti in opera, voleva significare portare in crisi l’intero sistema.

l ponte è illuminato da un sofisticato sistema di illuminazione a LED che può essere programmato per produrre una serie di diversi effetti di luce. A seconda delle configurazioni di illuminazione, il 75% -100% della potenza richiesta è fornita dall’energia solare. E’ destinato esclusivamente ai pedoni e alla viabilità ciclistica e, grazie alla presenza di piattaforme panoramiche, è possibile passeggiare e sostare per ammirare il fiume Brisbane dell’omonima città australiana. Alcuni ricercatori lo stanno riprogettando secondo la logica dell’InfraBim

Esempi nel design e nell’ingegneria

Un esempio è l’opera del già citato Kenneth Snelson, la Needle Tower di Washington. E’ stata realizzata in aste alluminio e cavi di acciaio inossidabile per conferire leggerezza visiva ma anche resistenza agli agenti atmosferici. Lo stesso Snelson descriveva così la Tensegrità: “Essa descrive un sistema strutturale chiuso composto da un insieme di tre o più puntoni di compressione allungati all’interno di una rete di tendini di tensione. Le parti combinate si supportano reciprocamente in modo tale che i montanti non si tocchino l’un l’altro, ma premano verso l’esterno contro i punti nodali nel rete di tensione per formare un’unità solida, triangolata, precompressa, di tensione e compressione”.

Un’altra applicazione è stato il NASA SUPERball Tensegrity Robot. Una sonda il cui piano d’appoggio è realizzato secondo la tensegrità, così da permettere l’atterraggio senza airbag. Un’applicazione sensazionale pensando agli attuali sistemi arrivo delle sonde e delle navette spaziali. Il Super Ball Bot ha una matrice sferica di cavi e giunti che potrebbe resistere alla caduta di un veicolo spaziale in alto sopra una superficie planetaria e colpire il suolo con un rimbalzo. Una volta sul pianeta, le articolazioni potrebbero adattarsi per far rotolare il bot in qualsiasi direzione mentre ospita un dispositivo di raccolta dati all’interno del suo nucleo. Il peso più leggero e la manovrabilità del Super Ball Bot potrebbero rendere possibile una missione di esplorazione sulla luna di Saturno Titano.