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Sergio Pone » 10.Coperture di grande luce: innovazione per nuovi materiali, lamellare, precompresso e palloni


Innovazione come trasferimento di tecnologie

Gran parte di ciò che accadrà nel ‘900 è prefigurato nel gesto con cui l’industria consegna un nuovo materiale a un settore tradizionalmente povero come l’edilizia oppure è rappresentato dalla lenta evoluzione, interna al settore edile, spinta fino alla rinascita di alcuni materiali, in un continuo lavorio tra tradizione e innovazione. Nei due gesti è riassunta la dialettica tra wonnen e konnen che anima il dibattito novecentesco, non solo architettonico: la volontà di ottimizzazione anima il pensiero sull’uso innovativo dei più antichi materiali da costruzione; l’attitudine da sperimentatore, da “bricoleur”, fa invece esplorare le possibilità di costruzione dello spazio architettonico legate all’uso di materiali creati per altri scopi: la prima applicazione del calcestruzzo armato, ritenuto l’unico nuovo materiale nato direttamente in ambito edilizio, è stata in realtà la realizzazione di un piccolo battello nel 1848; ancora, le cupole esterne della basilica di San Marco venivano costruite dai carpentieri navali dell’arsenale della repubblica veneziana con tecnologie usate abitualmente per il fasciame delle imbarcazioni. In ambedue i casi, l’innovazione non è possibile e proficua soprattutto quando si guarda altrove, proprio nei luoghi dove la sperimentazione è pratica corrente e necessaria.

Trasferimento di tecnologie e nascita dell’innovazione

Da sempre, mettere a confronto tecnologie diverse, proporre su un cantiere o all’interno di un progetto la contaminazione di logiche produttive, di materiali o di strategie costruttive ha rappresentato uno stimolo per l’innovazione edilizia, spesso «l’industria – nota Anna Mangiarotti – diventa il laboratorio sperimentale del costruire, anche se, paradossalmente, a insaputa degli stessi operatori del settore delle costruzioni»*. L’ibridazione delle tecniche costruttive può essere il primo passaggio per mettere fra loro in relazione nicchie tecniche contigue» e l’atto tecnico inventivo si connota così come un’azione di trasferimento di tecnologie.
È interessante notare come l’ingresso nel novero delle tipologie costruttive disponibili derivi da un atto contaminativo, da un’ibridazione, da una sostanziale diminuzione della carica “rivoluzionaria”, e per certi versi integralista, dell’invenzione originaria, barattata con la necessità di trovare livelli di compatibilità tecnico-funzionale con gli altri modi di costruire, in una logica di trasferimento e di adattamento**.

* Mangiarotti Anna, “La questione del trasferimento: il discorso intorno all’architettura”, in G. Nardi, A. Campioli, A. Mangiarotti, Frammenti di coscienza tecnica, cit., p. 74.
** “Adattabilità” in Vitale A. et al., Argomenti per il costruire contemporaneo, FrancoAngeli, Milano, 1996.

Trasferimento tecnologico orizzontale e verticale

A seconda dei modi in cui si manifesta, il trasferimento di tecnologie assumerà in questo discorso due diverse articolazioni di significato: la prima, che (trasferimento verticale), designa i casi in cui, attraverso i necessari adeguamenti, si usano tecniche o tecnologie non appartenenti al settore delle costruzioni ma proprie di altri ambiti produttivi. La seconda, si riferisce invece ai casi in cui una tecnologia costruttiva, elaborata e sperimentata nell’ambito di una costruzione particolare, trova un’applicazione significativa anche nell’edilizia diffusa (trasferimento orizzontale).
Nella logica del trasferimento verticale, come era già avvenuto nell’800 per l’acciaio, l’industria del ‘900 consegna al mondo delle costruzioni la sterminata famiglia delle plastiche; in ambito edilizio, invece, si promuove la rinascita del calcestruzzo armato con un’operazione di trasferimento orizzontale mediante il principio della precompressione. In una posizione intermedia tra i trasferimenti verticale e orizzontale si colloca l’esperienza del legno lamellare: piccole tavole lignee, unite con potentissime colle messe a punto in ambito industriale, si trasformano in gigantesche membrature strutturali di forme libere. Forse il più tipico caso di trasferimento di tecnologie orizzontale è l’invenzione del calcestruzzo armato precompresso.

Trasferimento di tecnologie orizzontale: precompresso

Mediante la pre-sollecitazione degli elementi sottoposti a flessione, si determina nel precompresso uno stato di compressione coatta e l’assenza di sforzi di trazione, in tal senso «si riduce il pericolo di fessurazione e, in un certo senso, si rende il calcestruzzo capace di resistere a trazione. Infatti, gli sforzi di trazione, sovrapponendosi alle compressioni preventive, si convertono in semplici “decompressioni”. Altro vantaggio del cemento armato precompresso: se lo si sottopone a trazioni elevate, fino a provocarne la fessurazione, senza però far uscire l’armatura dal campo elastico, si osserva che, alla soppressione del carico, le fessure si richiudono automaticamente, al punto da diventare invisibili»*. In questo modo tutta la sezione lavora a compressione e si estende l’uso del calcestruzzo armato anche a strutture di grande luce: si potranno realizzare strutture lineari di grande dimensione che consentiranno di potenziare quantitativamente le prestazioni del materiale di partenza senza vincolarne la forma.
Barbisan racconta come il teorema strutturale posto alla base della precompressione fosse già stato intuito negli ultimi anni del XIX secolo.

* Torroja Eduardo, op. cit., 1995, p. 79.

Calcestruzzo armato precompresso

«Uno dei primi brevetti apparsi in tal senso è proposto dallo statunitense P. H. Jackson che nel 1888 mise a punto un sistema per la costruzione di “pietre artificiali e pavimenti in calcestruzzo” in cui posizionò nel lembo teso della sezione barre in acciaio, fissate agli estremi con piastre e viti stringenti. Sempre nello stesso anno il tedesco C. W. Doehring depositò a Berlino un brevetto per la realizzazione di piastre e travi in calcestruzzo rinforzate da fili di acciai pretesi annegati nel getto. A differenza del brevetto statunitense, quello tedesco prevedeva la messa in tensione preventiva dei fili metallici trattenuti da sistemi di contrasto»*. Questi brevetti alludono agli odierni sistemi per la costruzione del precompresso: il metodo americano allude alla post-tensione dei cavi e quindi al sistema a cavi scorrevoli, mentre quello tedesco prevede la tensione preventiva dei tondini e quindi somiglia al procedimento a cavi aderenti. Fu M. Koenen, dipendente della impresa G. A. Wayss & Co – esclusivista del brevetto Monier nella Germania del Sud – che, dopo aver effettuato una serie di studi e di sperimentazioni provò varie volte a pre-sollecitare gli elementi metallici per ottenere una riduzione dell’area di calcestruzzo sottoposta a trazione.

* Barbisan Umberto e Matteo Guardini, “Eugène Freyssinet e il calcestruzzo armato precompresso”, Tecnologos

Calcestruzzo armato precompresso

«Tali tentativi però non ebbero alcun esito pratico. Koenen disponeva di acciaio dolce, il cui allungamento elastico era dello stesso ordine di grandezza dei susseguenti accorciamenti del calcestruzzo: ogni effetto di precompressione si annullava automaticamente al verificarsi del ritiro e della viscosità del conglomerato»*. Con la scoperta degli acciai speciali, lo studio dell’intuizione originaria di Koenen, le accresciute potenzialità dell’acciaio, E. Freyssinet, imprenditore di costruzioni in cemento armato, pervenne al brevetto del c. a. precompresso nel 1928. Solo nel 1941, dopo quasi 10 anni di studi e di sperimentazioni, Freyssinet iniziò la costruzione del ponte sulla Marna secondo i principi del precompresso. Il ponte si connota come una trave unica di circa 1.70 mt d’altezza e 55 di lunghezza, perfettamente dritta.
Esattamente nel 1928, F. Dischinger deposita un brevetto per la costruzione di ponti ad arco in c. a. precompresso e nello stesso anno costruisce con esso il suo primo ponte, lungo circa 68 mt, sulla Saale. Sei anni dopo, deposita un nuovo brevetto in cui porta le barre della precompressione fuori del corpo del calcestruzzo per consentire eventuali incrementi di tensione anche durante la fase di esercizio.

* Zago Federico, Il cemento armato precompresso in architettura, Cluva, Venezia, 1963.

Innovazione e contesto

La parallela vicenda di Franz Dischinger vale a dimostrazione del teorema secondo il quale spesso l’innovazione dipende dalla ricettività dell’ambiente che l’accoglie e dal maturare di un adeguato contesto tecnico.
Nella diffusione di una nuova tipologia strutturale e nel suo positivo dialogo con gli altri sistemi costruttivi correnti, quindi, il rapporto con il micro-contesto, e poi con il macro-contesto che la deve accogliere, assume un’importanza talvolta superiore rispetto alle pure e semplici potenzialità tecniche del nuovo sistema o alla sua sostanziale economicità.
Il motivo per il quale si tende ad attribuire la paternità del nuovo materiale a Freyssinet dipende dal fatto che l’ingegnere francese propose da subito l’utilizzo di cavi composti da fili d’acciaio ad altissima resistenza (intorno ai 150 kg/mm2) mentre il tedesco utilizzava barre di resistenza molto minore (pari a circa un terzo dei cavi); questa scelta, in seguito al rilassamento dell’acciaio e al fenomeno di fluage del calcestruzzo, era in grado di indurre una precompressione molto inferiore, motivo per il quale Dischinger studiò, come abbiamo visto, la maniera di ri-tendere le sue barre durante la vita del manufatto.

Calcestruzzo armato precompresso

Altro grande costruttore di ponti e sperimentatore della precompressione del calcestruzzo armato è l’ingegnere romano Riccardo Morandi.
Opera paradigmatica nell’utilizzo di questa tecnica è il suo Padiglione del Salone dell’automobile di Torino costruito tra il 1958 e il 1962 nel parco del Valentino. La grande sala completamente interrata, di 69×151 mt, prevede una copertura formata da una griglia di travi alte e sottili, a sezione rettangolare e altezza variabile, sghembe rispetto all’asse trasversale del padiglione, che si incrociano in mezzeria e che disegnano una teoria di cassoni romboidali.
«Per la sua speciale forma è atta a sopportare nel modo più efficiente il notevole carico determinato dalla terra sovrastante ed il sovraccarico accidentale previsto: essa … appoggia a terra mediante grandi bielle compresse inclinate ed è vincolata con bielle più piccole alle pareti laterali anche esse in calcestruzzo armato: queste ultime quindi assolvono al duplice compito di contenere le terre e di collaborare al sistema portante della copertura creando il necessario vincolo di equilibrio eluso dalle bielle incernierate»*.

* Morandi Riccardo, “Aspirazione alla coerenza”, introduzione a Boaga Giorgio, Benito Boni, Riccardo Morandi, Edizioni di Comunità, Milano, 1962, p. 11.

R. Morandi. Padiglione del Salone delle automobili di Torino, Parco del Valentino, Torino

R. Morandi. Padiglione del Salone delle automobili di Torino, Parco del Valentino, Torino

R. Morandi. Schema struttura Padiglione del Salone delle automobili di Torino

R. Morandi. Schema struttura Padiglione del Salone delle automobili di Torino


Calcestruzzo armato precompresso

Con Morandi il precompresso raggiunge la sua maturazione e compie la parabola che ne sancisce la differenza con il suo predecessore, il calcestruzzo armato. In quest’ultimo l’intelligenza della costruzione, rappresentata in gran parte dalla disposizione dell’armatura metallica, è sempre e comunque occultata dal getto che tutto ingloba. Nel precompresso invece la costruzione non è più necessariamente monolitica, le parti si possono separare e possono quindi assumere, nella formazione di senso dell’architettura, un ruolo più libero ed espressivo. Lo stesso Morandi sostiene che l’invenzione in architettura deve riferirsi a modelli semplici «in cui la disposizione e la forma delle varie membrature esprimono chiaramente la funzione statica, cioè in ultima analisi la loro ragion d’essere»*.
La sua esperienza, oltre a offrire un esempio valido di come la giusta interpretazione delle potenzialità costruttive d’una nuova tecnica possa anche portare direttamente alla buona architettura, dà un impulso fondamentale all’ingresso della precompressione del calcestruzzo armato nel dominio delle grandi coperture.

* Morandi Riccardo, La statica e le strutture, Cremonese, Roma, 1971, p. 12.

Calcestruzzo armato precompresso

Nel 1955 viene bandito uno dei primi grandi concorsi internazionali del dopoguerra, quello per la realizzazione del Teatro dell’Opera a Sydney (Australia); la commissione giudicatrice, composta tra gli altri da E. Saarinen e L. Martin, premierà il gruppo coordinato dal giovane architetto danese J. Utzon, affiancato per le strutture dalla Ove Arup associati. La copertura con l’inconfondibile teoria di superfici a doppia curvatura sarà realizzata in c. a. precompresso, con una complessa gerarchia di travi principali, travi secondarie e piastre di solaio, tutte prefabbricate e dotate di una geometria ripetitiva. La definizione della geometria dei gusci rivela un aspetto interessante della storia di questo edificio: per dominare la complessa geometria cuspidata del progetto e per ottenere la ripetibilità dei pezzi da prefabbricare, Utzon fa ricorso all’uso delle diverse sezioni di un’unica sfera, proprio come aveva spiegato nel suo Taccuino, 700 anni prima, Villard de Honnecourt.

Sidney Opera House, 1958. Architetto Jørn Utzon. Ingegneri Arup Associates

Sidney Opera House, 1958. Architetto Jørn Utzon. Ingegneri Arup Associates


Calcestruzzo armato precompresso

«Nel XII secolo compare nella complessa organizzazione del cantiere della cattedrale un nuovo aspetto teso da un lato ad una migliore organizzazione del lavoro e dall’altro ad una più rapida esecuzione: la standardizzazione delle pietre dei pilastri e dei conci degli archi … a questo proposito è opportuno notare il similare metodo di realizzazione di tutti gli archi componenti le crociere, e dunque di luce diversa, con conci identici affidando la diversificazione degli archi alla sola chiave»*.
Tutti i conci erano pre-fabbricati a pié d’opera con un unico raggio di curvatura, così come tutti i settori in c. a. sono parti di un’unica sfera e compongono la geometria cuspidata dell’Opera di Sydney.

* Colantuoni Gelsomina e Francesco Abbate, “Villard de Honnecourt”, Tecnologia e Ambiente, Notiziario della Sezione Tecnologia e Ambiente del Dipartimento di Progettazione Urbana dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II”, Napoli, aprile 1992.

Sidney Opera House, 1958. Architetto Jørn Utzon. Ingegneri Arup Associates

Sidney Opera House, 1958. Architetto Jørn Utzon. Ingegneri Arup Associates


Calcestruzzo armato precompresso

La storia dell’evoluzione del c.a.p. rappresenta un caso in cui l’atto inventivo posto all’origine di un’importante innovazione si connota come puro atto mentale: M. Koenen alla fine dell’800 enunciava il suo teorema senza un risultato pratico che potesse confortarne la validità; arriva così alla conclusione che è trascurabile la resistenza a trazione del calcestruzzo, ma che la presenza di parti tese comporta il problema delle microfessurazioni del conglomerato e quindi del degrado dell’armatura metallica. Da ciò deduce che un manufatto in c.a. in cui l’elemento inflesso non presenti parti tese risolverebbe egregiamente il problema: ecco inventata la precompressione.
Una vicenda che fa pensare alla definizione della tavola periodica degli elementi di Mendelejev che postulò l’esistenza di alcuni elementi con anni e anni di anticipo sulla loro effettiva scoperta.
Da Koenen a Freyssinet il cammino dell’invenzione si sblocca e si traduce in vera e propria innovazione quando trova un contesto tecnico pronto a riceverla.

Legno lamellare

Un’innovazione fondata in maniera significativa sul trasferimento verticale di tecnologie è quella delle strutture in legno lamellare. Per l’affermazione di questa tecnica, infatti, hanno un ruolo importante i paralleli avanzamenti dell’industria dei collanti chimici che hanno progressivamente consentito applicazioni più audaci e una maggiore sicurezza e durata delle strutture.
Un precedente importante del moderno legno lamellare è probabilmente un grande arco descritto da Philibert de L’Orme nel suo Nouvelles inventions pour bien bastir et a petit frais (Parigi, 1561) e nel primo tomo di Architecture (Parigi, 1567). Nei suoi trattati, partendo da alcune considerazioni sviluppate da Leonardo da Vinci e da Sebastiano Serlio, egli supera il limite materiale delle costruzioni in legno, imposto dalla massima dimensione del tronco di partenza, e progetta una struttura in cui l’elemento ligneo risulta composto dall’assemblaggio di più parti, in cui le lamelle disposte a coltello tenute a pressione da tiranti in legno formano l’arco di forma e dimensioni volute. Ancora, G. Del Rosso che nel suo Della facile costruzione di ponti in legno, (1797), propone per la prima volta l’assemblaggio delle assicelle di legno in orizzontale come si usa nel moderno legno lamellare. La giunzione degli elementi è risolta con cravatte in ferro che cerchiano completamente la travatura

Legno lamellare

Attraverso le sperimentazioni di Migneron e di K. F. von Wiebeking si arriva all’inizio del XIX secolo, quando il colonnello A. R. Emy assembla una serie di tavole a sezione rettangolare, disponendole in orizzontale e tenendole insieme con bullonature e collari in ferro.
Il passo definitivo lo compie, però, O. Hetzer che nel 1905 brevetta l’omonima trave in lamelle incollate disposte parallelamente alla direzione principale della trave stessa. Nello stesso periodo si aprirà il capitolo relativo alle prestazioni dei collanti. Hetzer utilizzò in prima istanza le colle a base di caseina, facilmente attaccabili da muffe; successivamente si sperimentarono collanti a base di resorcina prima e a base di urea-formolo e di resine epossidiche in un secondo tempo. Queste sono ancora le alternative principali di cui disponiamo oggi: le prime sono resistenti sia all’acqua che al fuoco che agli agenti chimici, ma richiedono una perfetta levigatura delle lamelle e, anche per questo, risultano molto costose; le seconde, decisamente più economiche, non offrono buone prestazioni in risposta a forti escursioni termiche e quindi risultano adatte preferibilmente per la realizzazioni di manufatti collocati all’interno delle costruzioni.

Ibridazione tecnologica e legno lamellare

Il lamellare consente di superare la dimensione massima vincolata in ragione della massima altezza degli alberi d’alto fusto e consente la sagomatura di grandi elementi inflessi in forme praticamente libere; ma questi elementi risultano spesso dotati di una sezione altrettanto notevole (si arriva fino ad altezze di 3 mt) e poiché sono prefabbricati, possono comportare notevoli difficoltà nel trasporto, nella movimentazione e nell’organizzazione logistica del cantiere. Per questi motivi i grandi interpreti del lamellare hanno spesso concepito le loro strutture facendo ricorso a particolari forme strutturali in grado di attribuire alle membrature lignee un surplus di resistenza; non è raro quindi, trovare applicazioni del nuovo materiale nelle particolari conformazioni descritte nelle lezioni precedenti.
Questo dato rende le costruzioni in lamellare uno dei territori storici della “ibridazione tecnologica”: il lamellare pare insomma la tecnologia più disponibile ad accogliere contaminazioni con altre tipologie e con altri comportamenti strutturali, atti a potenziare le sole prestazioni del materiale.

Cupola di Izumo, Giappone. Shigeru Ban, Kajima Design, Masao Saitô

Cupola di Izumo, Giappone. Shigeru Ban, Kajima Design, Masao Saitô


Ibridazione tecnologica e legno lamellare

La costruzione sperimentale commissionata nel 1968, dalla Holtz e Düsseldorf, a G. Minke e J. Natterer per l’Ingresso della Bau ‘68 di Monaco utilizza il legno lamellare per tutta la struttura a guscio nervato. Il padiglione ha una superficie di 18×29 mt, è composto da 4 superfici a forma di sella che si incontrano lungo le travi diagonali, curvate secondo un andamento parabolico con luce netta di 13 mt; le travi di bordo, sempre in lamellare, sono disposte con la dimensione maggiore nel piano del guscio e sagomate in modo da rendere percepibile l’estrema sottigliezza della lamina. «Le nervature, la cui lunghezza e posizione è stata determinata da un modello dimensionalmente esatto, sono state montate a griglia senza impalcatura. Esse, insieme alle travi di sponda, determinano la forma degli involucri nervati … Sulla griglia delle nervature sono stati appoggiati due strati di legno incrociati. La tenuta del collegamento, necessaria per un involucro nervato, è stata ottenuta con bulloni. La griglia delle nervature, che in un primo tempo è servita da armatura modellante, è stata collegata, da un punto di vista costruttivo, con gli strati in legno, in modo tale che essa partecipasse all’azione statica»*.

* Minke Gernot, “Holzflaechentragwerke”, Zodiac, n. 22, ottobre 1973.

Ingresso al Bau di Monaco, 1968. Architetto Gernot Minke e ingegnere Julius Natterer

Ingresso al Bau di Monaco, 1968. Architetto Gernot Minke e ingegnere Julius Natterer


Ibridazione tecnologica e legno lamellare

Ingresso al Bau di Monaco, 1968. Architetto Gernot Minke e ingegnere Julius Natterer

Ingresso al Bau di Monaco, 1968. Architetto Gernot Minke e ingegnere Julius Natterer


Ibridazione tecnologica e legno lamellare

Shigeru Ban utilizza il lamellare per la realizzazione della Cupola di Izumo, (1992) su progetto di Kajima design e con la collaborazione strutturale di Masao Saitô. Nel grande edificio di 143 mt di diametro e 48 di altezza, 36 arconi di lamellare sono assemblati interamente a terra e sollevati tramite lo slittamento verso il centro dell’estremo perimetrale con conseguente innalzamento del colmo della cupola; la struttura è completata da una serie di cavi anulari concentrici che bloccano definitivamente gli elementi in lamellare.
Nello Stadio di pattinaggio a Nakano per i giochi olimpici invernali del 1998, Ban copre uno spazio rettangolare di 80×216 mt con una copertura tesa con la concavità verso l’alto, in cui la struttura, composta di 2 gusci in lamellare e di una piastra di metallo di 12 mm, è continua, sospesa e semi-flessibile. 7.000 elementi curvi in lamellare, di 162,50 mt di raggio e di 10 di lunghezza sono stati fabbricati per questa copertura. Si tratta dunque di una copertura in legno lamellare armato con elementi metallici che ne aumentano la resistenza; a questa sperimentazione si accostano altri tentativi di potenziamento delle prestazioni strutturali del lamellare, derivanti dalla generazione di stati di coazione o dall’inserimento di altri materiali di rinforzo.

Nakano Olympic Memorial Arena. Progetto architettonico: Shigeru Ban e Kajima Design

Nakano Olympic Memorial Arena. Progetto architettonico: Shigeru Ban e Kajima Design


Ibridazione tecnologica e legno lamellare

G. Brusati e F. Laner sperimentano il lamellare presollecitato nella copertura di una piscina a Sacca San Biagio a Venezia (1986). La piastra quadrata di copertura è un grigliato piano con un surplus di resistenza derivante dal disegno cassettonato. La struttura è stata composta con l’impiego di travi in legno lamellare sia continue sia a conci, “cucite” in opera con «cavi in acciaio armonico, alloggiati all’interno della sezione in legno lamellare, posti in tensione dopo la messa in opera dell’intero cassettonato»*. Lo stato di coazione è qui utilizzato per ridurre le componenti flessionali in una famiglia di travi ma soprattutto per consentire una giunzione pulita tra gli elementi continui e quelli interrotti.
È ancora Brusati che illustra le ultime sperimentazioni intorno al lamellare fibrorinforzato, sviluppate in prevalenza in Canada e in Francia: le fibre di vetro vengono aggiunte contestualmente allo strato di collante per «aumentare il valore del modulo di elasticità di circa il 20 – 30%, al fine di contenerne… le caratteristiche di deformazione»**

* Brusati Gianfranco, “Sperimentazioni con il legno strutturale”, in Nardi Guido (a cura di), Aspettando il progetto, FrancoAngeli, Milano, 1996, p. 189.
**Ivi, p.191

Innovazione nei materiali ed edilizia diffusa

Come la precompressione ha consentito di estendere l’uso del calcestruzzo armato alla costruzione di strutture di grande luce, così la tecnica del lamellare ha permesso al legno di uscire dalle secche in cui l’avvento dei moderni materiali elastici l’avevano costretto. Ma i due principali nuovi materiali messi a punto durante il XX sec. per le grandi strutture, condividono anche una buona affermazione nel percorso di ritorno verso l’alveo dell’edilizia diffusa, come i travetti in c.a.p., che hanno consentito di realizzare solai in c. a. senza quasi fare uso di strutture provvisorie o la predalle precompressa. È oggi abbastanza esteso anche l’utilizzo di travetti in lamellare, che, attraverso speciali connettori, iniziano a diffondersi, specie nel settore del recupero, in sistemi di solaio misti, lamellare – laterizio – calcestruzzo armato.

Trasferimento verticale: le strutture pneumatiche

Le costruzioni pneumatiche, realizzate con film plastico, ebbero nel 1947 le prime applicazioni spaziali e nel 1948 quelle terrestri, devono il loro sviluppo alle esigenze sorte con i programmi di ricerche aero-spaziali. Il successo delle prime strutture “gonfiate” della storia si deve anche alla contemporanea scoperta di nuove materie plastiche e all’avanzamento dei processi di filmatura (riduzione in pellicole sottili). Quello delle strutture pneumatiche è dunque il più classico caso di trasferimento verticale di tecnologie. Dalle ormai antiche ricerche sulla celluloide, utilizzata per la fabbricazione della pellicola fotografica, si passa al cellophane, poi ai polietileni, ai poliesteri e al cloruro di polivinile (Pvc); infine si arriva alla scoperta, da parte del Nobel italiano G. Natta, del polipropilene, polimero dotato di spiccata anisotropia; le differenti pellicole da questi derivati sono tutte resistenti a trazione, quindi adatte a essere utilizzate come membrane. La prima ipotesi di costruzione “gonfiata”, dovuta all’ingegnere F. W. Lanchester è del 1917: in un brevetto per un ospedale di campagna, egli descrive una tenda in cui una materia poco permeabile all’aria è mantenuta dalla pressione dell’aria, e nella quale entrata e uscita sono assicurate dalla presenza di una camera stagna. La pressione è mantenuta da due ventilatori e la membrana è ancorata al suolo.

Produzione industriale e strutture pneumatiche

Durante la seconda guerra mondiale, la messa a punto di canotti, giubbotti di salvataggio e altre dotazioni di sopravvivenza costruirà le premesse per realizzare l’idea del pallone abitabile dall’uomo: nel 1946 W. Bird progetta per la protezione delle installazioni radar nell’Antartico un involucro semisferico di tessuto gommato sostenuto dall’aria mediante pressione interna. Successivamente sotto la direzione di Bird «il laboratorio Cornell progettò e provò un prototipo di “costruzione ad aria” »* e 100 di tali semisfere nel 1954 furono realizzate nel nord del Canada.
I progetti di coperture con palloni utilizzano il metodo cosiddetto ad “ambiente pressurizzato” (air supported): la pressione dell’aria che sostiene le membrane, potenziata con compressori o piccole turbine, è leggermente superiore all’interno della costruzione, ma non crea disagi per gli utenti, non superando la differenza che esiste normalmente tra due luoghi aperti posti a 60 mt di dislivello tra loro.
Questo tipo di fabbrica invece di essere fondato va zavorrato al suolo e il suo confezionamento presenta il non secondario problema di attribuire la doppia curvatura alla superficie del film o del tessuto gommato, che può effettuarsi di getto oppure per assemblaggio di settori.

* Fuzio Giovanni, op. cit., p. 19.

Alcune cupole per installazioni militari air-supported di Walter Bird, Birdair Inc

Alcune cupole per installazioni militari air-supported di Walter Bird, Birdair Inc


Strutture pneumatiche “a camera d’aria”

Nel 1956 Walter Bird fonderà la Birdair Structure Inc. con l’obiettivo di estendere le applicazioni delle strutture pneumatiche alle costruzioni civili. Anche l’anziano Frank Lloyd Wright, sperimenta le nuove possibilità e le nuove forme offerte dai palloni nel progetto della Airhouse, piccola residenza composta dall’unione di 2 cupole in tessuto gommato, ancorate al suolo con un tubo riempito d’acqua, realizzata dopo la sua scomparsa ed esposta alla International Home Exposition tenutasi nel 1960 a New York.
È del 1959 invece la pubblicazione di un progetto di Padiglione per mostre dalla Ford Motor Company commissionato ancora a Walter Bird. L’edificio, a forma di segmento sferico, con un diametro di base di 90 mt è coperto con una struttura pneumatica diversa da tutte quelle progettate fino ad allora dallo stesso Bird: la struttura non è air supported ma è costituita da grandi semi-archi di sezione tubolare, aggregati con una disposizione radiale; gli arconi formano tante camere d’aria all’interno delle quali viene insufflata aria a una pressione molto superiore a quella necessaria per i palloni ad ambiente pressurizzato. Questo nuovo tipo di struttura pneumatica passerà alla storia come air inflated o “a camera d’aria”.

Una cupola per installazioni militari air-supported di Walter Bird, Birdair Inc

Una cupola per installazioni militari air-supported di Walter Bird, Birdair Inc


Strutture pneumatiche “a camera d’aria”

Una delle prime sperimentazioni di questa nuova concezione può essere considerato il Padiglione espositivo della Commissione per l’energia atomica americana su disegno di Victor Lundy e con i calcoli strutturali di un gruppo di ingegneri coordinato da Fred Severud.
Realizzata proprio dalla Birdair Structures Incorporated «la struttura gonfiabile a doppia calotta è di 90 x 38 mt e alta 15; essa ha l’aspetto di due cupole collegate da una giunzione in forma di sella con grandi entrate alle loro estremità. Le membrane spalmate di vinile sono separate da un vuoto di 1,20 mt diviso in 8 compartimenti in modo che il danneggiamento accidentale dell’una o dell’altra parte non minacci la stabilità globale dell’edificio»*. La composizione è completata da altre 2 selle, per gli ingressi, poste alle estremità della costruzione e realizzate con archi tubolari aggregati. Una particolarità di questa struttura è che il fluido prescelto per gonfiare le camere d’aria è l’acqua, tenuta a 38 mm. di pressione da appositi compressori; essa, oltre a consentire margini di sicurezza più alti, permette un miglior isolamento e una migliore inerzia termica dell’involucro.

* Dent Roger N., “Usaec (pavillon d’exposition portable de l’)”, s.v. in Aa. vv., L’art de l’ingénieur, cit., p. 526.

Padiglione espositivo della Commissione per l’energia atomica USA. V. Lundy, F. Severud

Padiglione espositivo della Commissione per l'energia atomica USA. V. Lundy, F. Severud


Strutture pneumatiche

Sarà la grande Esposizione Universale di Osaka del 1970 a consacrare la tecnologia delle strutture pneumatiche con il Padiglione degli Stati Uniti, con il Padiglione Fuji e con il Padiglione francese.
Nel primo edificio, il gruppo di progettazione formato dagli architetti L. Davis, S. Brody, S. Chermayeff, T. Geismar e Rudolph de Harak, con la consulenza dell’ingegnere D. Geiger, utilizza la tecnica delle strutture air supported sperimentando, per realizzare la membrana, un tessuto di fibre di vetro immerso in una pellicola vinilica leggera e resistente; l’uso di questo film, messo a punto dalla Nasa per le tute degli astronauti, conferma il legame esistente tra le strutture pneumatiche e il settore aero-spaziale. La struttura viene completata da una rete di cavi metallici sovrapposti alla membrana che impediscono al telo troppo grande (l’edificio misura nel suo complesso 142 x 82 metri) di lacerarsi, e che collaborano ad assorbire gli sforzi rivolti verso l’alto e generalmente assorbiti dalla membrana. La tensione dinamica che si crea tra membrana e cavi aggiunge alla complessiva convessità del pallone tante piccole maglie romboidali, a loro volta convesse, che creano un’immagine simile a quella di una coperta trapuntata.

Padiglione Usa, expo di Osaka, 1970. Davis, Brody, Chermayeff, Geismar, de Harak, Geiger

Padiglione Usa, expo di Osaka, 1970. Davis, Brody, Chermayeff, Geismar, de Harak, Geiger

Padiglione Usa, expo di Osaka, 1970

Padiglione Usa, expo di Osaka, 1970


Strutture pneumatiche

Nel padiglione Fuji, l’architetto Yutaka Murata, con l’ingegnere Marmoru Kawaguchi e con l’impresa di Taisei Kenesetsu, sperimenta ancora una volta la tipologia di coperture pneumatiche, detta a “camera d’aria”, e arricchisce il vocabolario formale dei palloni configurando una struttura che restituisce un’immagine composta da elementi convessi, sia visti dall’esterno che dall’interno.
Il padiglione di costruzione giapponese è composto, infatti, da una serie di 16 arconi, della luce massima di 50 metri, accostati tra loro e formati da un grande tubo gonfiato del diametro di circa 4 metri, a sua volta realizzato con una doppia pellicola di vi-nylon (fibra sintetica inventata in Giappone, molto simile al cotone per grana e grado di assorbenza, più leggera del rayon, del cotone e della lana) ricoperta all’interno da uno strato di Pvc. L’aggregazione degli arconi disegna una superficie a sella, alta 45 mt alle estremità e 35 al centro, intorno a un cerchio di base di 50 mt di diametro, lungo il quale corre un nastro trasportatore che fa compiere ai visitatori il giro del padiglione.

Padiglione Fuji, expo di Osaka, 1970. Yutaka Murata, Marmoru Kawaguchi

Padiglione Fuji, expo di Osaka, 1970. Yutaka Murata, Marmoru Kawaguchi


Strutture pneumatiche

Il padiglione della Francia presenta una struttura geometricamente complicata e dal complesso funzionamento strutturale: ha la forma di 4 grandi emisferi pneumatici (3 riuniti in un corpo trilobato e 1 isolato su una base di cemento) ed è stato progettato da J. Le Couter e D. Sloan, architetti, e da J. Prouvé, ingegnere. L’involucro delle cupole pneumatiche, retto dalla pressione interna è in tessuto di nylon. Un “programma” di variazioni nella pressione determina un gioco di vibrazioni e di “respiro” dell’involucro stesso, e sulle sue pareti traslucide si svolge di notte uno spettacolo audiovisivo con proiezioni. Una delle cupole si completa in una intera sfera per metà interrata. Il genio incontestabile di Jean Prouvé crea quindi uno dei primi casi di edificio pneumatico che, utilizzando comunque porzioni di sfera, realizza un insieme di forma complessa, plurilobata; integra la forma fuori terra con una parte ipogea, realizzata con tecnologie differenti, proponendo un rapporto dell’edificio-mongolfiera con il suolo del tutto differente dal solito e infine lo fa respirare come un grande animale preistorico che di notte si anima di luci e di colori.

Strutture pneumatiche: i materiali per le membrane

Nel 1975 viene realizzato il Pontiac Silverdome da O’Dell Hewlett & Luckenbach (consulenza strutturale di D. Geiger), coperto da un pallone di 166×220 mt: il gruppo di progettazione sperimenta la membrana in fibre di vetro spalmate di teflon, di cui Geiger stesso detiene il brevetto e che consente la massima semplificazione nel processo di formatura.
Il Padiglione delle Orchidee (Murata e Kawaguchi) per l’Esposizione Internazionale nella periferia di Tokyo (1987) è una struttura pneumatica a camera pressurizzata, a forma di segmento sferico, con diametro di circa 75 mt e altezza massima di quasi 20. Innovativa è la struttura della membrana che risulta dalla sovrapposizione di un sottilissimo film in Pvc con superficie metallizzata, (spessore 0,1 mm), al quale è sovrapposta una trama di fili in poliestere orditi secondo una maglia di 10×10 cm alla quale è sovrapposta una maglia di cavi in acciaio che disegna quadrati 5 x 5 mt. Quando l’aria va in pressione la pellicola in Pvc trascina e mantiene in posizione le due reti e i tre strati restano indipendenti e liberi di scorrere tra loro. La sottigliezza del film e l’indipendenza di questo dalle 2 reti sovrapposte non richiede la pre-formatura della membrana, raggiunta naturalmente grazie alla pressione che si sviluppa contro la rete di cavi; ciò rende la costruzione più economica, semplice da realizzare ed elementare da manutenere.

Leggerezza nelle strutture pneumatiche e nelle tensostrutture

Il tema della diffusione della luce naturale all’interno della costruzione, attraverso il filtro della membrana plastica traslucida, rende paragonabili tensostrutture e strutture pneumatiche, assimilate anche dal comune riferimento al paradigma della leggerezza e dall’impegno “trasversale” di alcuni grandi protagonisti, come Severud, Bird e altri. Ma le due tipologie strutturali si differenziano nel tipo di costruzione che consentono di realizzare: le tensostrutture definiscono spesso ambienti aperti, in cui le caratteristiche superfici anticlastiche a sella non chiudono veramente lo spazio e offrono un riparo parziale, una chiusura che può sembrare soltanto momentanea; le strutture pneumatiche, al contrario, e in particolare quelle air supported delimitano lo spazio completamente, avvolgono l’aria da cui sono sostenute, rivolgono tutta la convessità verso l’esterno e la concavità verso l’interno, chiudono lo spazio e nella perfetta chiusura trovano la loro ragion d’essere. Nelle forme cuspidate delle tensostrutture la luce solare entra all’interno dagli spazi residuali e attraverso i bordi lasciati aperti; i palloni si limitano a filtrare la luce solare ed escludono qualsiasi forma di apertura che consenta, anche solo momentaneamente, il passaggio diretto della luce naturale.

I materiali di supporto della lezione

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