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Raffaele Landolfo » 1.L'architettura strutturale e l'evoluzione dell'arte del costruire


L’architettura strutturale

Il processo creativo attraverso il quale le opere architettoniche vengono concepite è indubbiamente complesso, articolato e soprattutto non facile da codificare essendo spesso basato sull’intuizione e sull’esperienza acquisita. Nell’ambito di tale iter metodologico la forma di una costruzione e la sua struttura portante sono intimamente e continuamente connesse: talvolta la struttura costituisce da sola l’intera opera oppure, se lasciata in vista, è chiamata ad esplicare una funzione estetica. Vero è che l’orditura portante è solitamente mascherata ma, anche in questo caso, è raro che il valore estetico dell’opera visibile non risenta della forma e delle dimensioni della struttura di sostegno. È in tale spirito che può allora parlarsi di “architettura strutturale”, intesa come attitudine a combinare felicemente tra loro forme e strutture, realizzando opere scaturite direttamente dall’immaginazione e attribuendo valore estetico alle ossature portanti di una costruzione. Non mancano oggigiorno esempi significativi di “architettura strutturale” in tutti i principali settori delle costruzioni civili ed industriali. Le opere di Santiago Calatrava costituiscono al riguardo un esempio emblematico di tale filosofia progettuale, anche per la loro capacità di lanciare un messaggio forte e chiaro nella direzione del superamento della sterile contrapposizione tra ingegneri e architetti.

Calatrava: schizzi di progetto e opere realizzate. Fonte: Gutschow Blog e Daysins

Calatrava: schizzi di progetto e opere realizzate. Fonte: Gutschow Blog e Daysins

Gehry: Millennium Park, Chicago; R. Vinoly: Tokio International Forum; Fuxsas: Fiera di Rho; Foster: Cupola del Reichstag, Berlino. Fonte: foto R. Landolfo

Gehry: Millennium Park, Chicago; R. Vinoly: Tokio International Forum; Fuxsas: Fiera di Rho; Foster: Cupola del Reichstag, Berlino. Fonte: foto R. Landolfo


L’evoluzione dell’arte del costruire

L’arte del costruire
L’architettura strutturale rappresenta il punto di arrivo di un lunghissimo processo di evoluzione dell’arte del costruire.
La conoscenza dello sviluppo che ha caratterizzato le costruzioni rappresenta quindi il presupposto essenziale alla progettazione di nuove opere e costituisce bagaglio imprescindibile per chi è chiamato ad intervenire sul patrimonio edilizio esistente.
Per questi motivi, ma anche per poter meglio comprendere le influenze reciproche che le forme architettoniche e strutturali hanno esercitato sull’arte del costruire, è quindi necessario e propedeutico richiamare, per grandi linee, lo sviluppo storico delle costruzioni.

Il Partenone, Atene, 600 a.C. Fonte: Vitruvio; Notre-Dame, Parigi – 1163-1250. Fonte: foto R. Landolfo

Il Partenone, Atene, 600 a.C. Fonte: Vitruvio; Notre-Dame, Parigi - 1163-1250. Fonte: foto R. Landolfo

Il primo ponte in Ghisa: Fiume Severn, Inghiterra 1779 – luce 30.62m. Fonte: webshots.com; International Finance Centre Two, Hong Kong 2007. Fonte: foto R. Landolfo

Il primo ponte in Ghisa: Fiume Severn, Inghiterra 1779 - luce 30.62m. Fonte: webshots.com; International Finance Centre Two, Hong Kong 2007. Fonte: foto R. Landolfo


L’architettura strutturale e l’evoluzione dell’arte del costruire

Indice

  • Dalla caverna al Partenone.
  • Dal Pantheon a Santa Maria del Fiore.
  • L’acciaio e le esposizioni universali.
  • Il cemento armato.
  • L’età moderna: grattacieli & ponti.
  • I crolli.
  • Le sfide future dell’architettura strutturale.

Dalla caverna al Partenone

Origine delle costruzioni
La caverna rispondeva alla necessità primaria dell’uomo primitivo di sopravvivere e garantire la sopravvivenza della specie.
Con l’inizio dell’agricoltura, le colonie divennero assai più stabili, nacquero così i primi villaggi, scavati nella roccia o costruiti con legno, paglia e fango.
Circa 7000 anni prima della nascita di Cristo sorgevano, nella valle del Nilo, i primi insediamenti stabili di popolazioni etiopiche. Si dovrà, però, aspettare il periodo arcaico perche nell’Egitto si verifichi un intenso sviluppo delle costruzioni in pietra. Con la costruzione della Piramide a gradoni di Saqqara, 2700 a.C., la pietra, per la prima volta, assurgeva al ruolo di vero e proprio materiale da costruzione.
Appena un secolo dopo, con la piramide di Cheope, 2600 a.C., si raggiunge una delle più alte espressioni dell’arte del costruire.

Le prime forme di insediamento umano. Fonte: Wikimedia Commons

Le prime forme di insediamento umano. Fonte: Wikimedia Commons

Piramide di Cheope. 2600 a.C. Fonte: foto R. Landolfo

Piramide di Cheope. 2600 a.C. Fonte: foto R. Landolfo


Dalla caverna al Partenone (segue)

Le costruzioni megalitiche
Le prime costruzioni funerarie o dedicate al culto furono realizzati in pietra naturale per poter sfidare tempo. Le strutture rudimentali più elementari erano costituite dai menhir: pilastri isolati con significato religioso o commemorativo. Le strutture portanti orizzontali comparvero con i dolmen: era nato il famoso trilite.

L’architettura greca
Come l’architettura preistorica era stata caratterizzata dal trilite, così quella classica lo fu dalla colonna e dall’architrave. L’architettura greca fu segnata essenzialmente dalla costruzione di templi in pietra ben squadrata e ben organizzata.

Esempi di costruzioni megalitiche: Stonehenge. Fonte: Wikimedia Commons

Esempi di costruzioni megalitiche: Stonehenge. Fonte: Wikimedia Commons

Partenone, Atene – 600 a.C. Fonte: Vitruvio

Partenone, Atene - 600 a.C. Fonte: Vitruvio


Dal Pantheon a Santa Maria del Fiore

Le costruzioni romane
L’architettura romana derivò inizialmente da quella greca alla quale furono apportate nel tempo radicali trasformazioni sostituendo alle travi gli archi, ai tetti le volte e introducendo una serie vastissima di sistemi costruttivi dei muri.
Gli architetti romani furono costruttori di enormi cupole, come quella del Pantheon, realizzata in calcestruzzo.

Pantheon, Roma – 20 a.C. Fonte: Wikimedia Commons

Pantheon, Roma - 20 a.C. Fonte: Wikimedia Commons

Colosseo, Roma – 60 d.C. Fonte: Wikimedia Commons

Colosseo, Roma - 60 d.C. Fonte: Wikimedia Commons


Dal Pantheon a Santa Maria del Fiore (segue)

Il gotico
Con l’avvento dell’architettura gotica si delineò una prima distinzione tra struttura portante e struttura portata cui corrisponderà un differenziato impiego di materiali. Le costruzioni gotiche erano costituite da strutture a sviluppo lineare, di tipo arboreo, lungo le quali si trasmettevano tutti i carichi. Date le difficoltà costruttive connesse alle nuove forme, si diffuse notevolmente l’impiego di modelli in scala quale supporto progettuale. Con il maggiore impiego degli archi, soprattutto rampanti, cominciò ad apparire un elemento strutturale nuovo, in grado di assorbire le spinte alle imposte estreme: il contrafforte in muratura.

Cattedrale di Amiens – 1220. Fonte Wikimedia; schema architettura gotica. Fonte: Wikimedia

Cattedrale di Amiens - 1220. Fonte Wikimedia; schema architettura gotica. Fonte: Wikimedia

Notre-Dame, Parigi – 1163-1250. Fonte: foto R. Landolfo

Notre-Dame, Parigi - 1163-1250. Fonte: foto R. Landolfo


Dal Pantheon a Santa Maria del Fiore (segue)

Il rinascimento
L’architettura rinascimentale fu caratterizzata da un ritorno ai modelli classici e si sviluppò durante tutta la prima metà del Quattrocento a Firenze.
Il punto di svolta, che segnò il passaggio dall’architettura gotica e quella rinascimentale, coincise con la realizzazione della cupola del Duomo di Firenze, eseguita da Filippo Brunelleschi tra il 1420 ed il 1436.
La celebre cupola, che costituisce la copertura della crociera del Duomo di Firenze, è la più grande cupola in muratura mai costruita (diagonale maggiore della cupola interna: 45 metri, quella dell’esterna: 54).
La sua grandezza impedì l’utilizzo del tradizionale metodo costruttivo mediante l’ausilio di centine, scatenando per lungo tempo dibattiti sulla tecnica costruttiva impiegata.

La cupola del Brunelleschi, S. Maria del Fiore, Firenze – 1436. Fonte: Wikipedia e da Gramma

La cupola del Brunelleschi, S. Maria del Fiore, Firenze - 1436. Fonte: Wikipedia e da Gramma


L’acciaio e le esposizioni universali

La “rivoluzione” nelle costruzioni
La Rivoluzione industriale portò una profonda innovazione nel campo delle costruzioni, grazie anche alla nascita di nuovi materiali, resistenti a trazione oltre che a compressione. Ciò consentiva di sperimentare nuove tipologie strutturali e nuovi modelli di calcolo, segnando la fine dell’egemonia della muratura. Con il Palazzo di Cristallo, sede della prima esposizione universale aperta a Londra nel 1851, l’architettura in ferro e vetro raggiunse il suo culmine.
L’eredità lasciata dall’esposizione di Parigi del 1889 è ancora oggi ben visibile: la Tour Eiffel che con la sua forma piramidale e le sue superfici ricurve si staglia ancora, per un’altezza di 320 m, nel profilo della città.

Palazzo di cristallo, 1851 – Esposizione Universale – Londra. Fonte: Wikimedia

Palazzo di cristallo, 1851 - Esposizione Universale - Londra. Fonte: Wikimedia

La Tour Eiffel, Esposizione Universale Parigi 1889. Fonte: Wikimedia

La Tour Eiffel, Esposizione Universale Parigi 1889. Fonte: Wikimedia


Il cemento armato

Durante la seconda metà del 1800 ci fu l’avvento, nel mondo delle costruzioni, di un nuovo materiale: il cemento armato. La vera innovazione derivava dall’accoppiamento del calcestruzzo, resistente a compressione, con l’acciaio, resistente a trazione. Nel 1855 l’industriale Francois Coignet presentò alla Esposizione Universale questo nuovo materiale come béton-pisé. Già alla fine del 1800 le tecniche costruttive e le conoscenze relative a questo nuovo materiale furono tali da consentire la costruzione delle prime grandi opere realizzate interamente in cemento armato. L’Ingalls Building, il primo grattacielo realizzato interamente in cemento armato nel 1902 a Cincinnati, ne è un esempio.

J. Monier, vasi in cemento armato (1850). Fonte: Tecnologos

J. Monier, vasi in cemento armato (1850). Fonte: Tecnologos

Ingalls Building, Cincinnati, 1902. Fonte: Wikimedia Commons

Ingalls Building, Cincinnati, 1902. Fonte: Wikimedia Commons


L’età moderna: grattacieli & ponti

I grattacieli
Le ottime prestazioni strutturali dei nuovi materiali e l’esigenza di ottimizzare l’uso del suolo edificabile favorirono, in breve tempo, lo sviluppo in altezza degli edifici. Si ebbe, pertanto, la nascita di una nuova tipologia edilizia: i grattacieli. Il grande incendio che colpì la città di Chicago nel 1871, distruggendola completamente, ne incentivò lo sviluppo. La Chicago Water Tower fu l’unica costruzione sopravvissuta ed è oggi il simbolo della città. Il primo grattacielo fu edificato a Chicago per conto della Home Insurance Company nel 1885 e raggiungeva i tredici piani. Cinque anni più tardi fu superato dal Manhattan Building di New York (sedici piani). A partire dal 1908 iniziò tra queste due città una vera e propria competizione, che coinvolse centinaia di società finanziarie e migliaia di persone fra architetti operai ed ingegneri, sulla costruzione del più alto edificio al mondo.

Chicago Water Tower. Fonte: foto R. Landolfo; Home Insurance Company Building, 1885, Chicago. Fonte: Wikimedia Commons

Chicago Water Tower. Fonte: foto R. Landolfo; Home Insurance Company Building, 1885, Chicago. Fonte: Wikimedia Commons

Grattacieli a New York: Flatiron, 1902; Empire State Building, 1931. Fonte: foto R. Landolfo

Grattacieli a New York: Flatiron, 1902; Empire State Building, 1931. Fonte: foto R. Landolfo


L’età moderna: grattacieli & ponti (segue)

Grattacieli a New York. Fonte: foto R. Landolfo

Grattacieli a New York. Fonte: foto R. Landolfo


L’età moderna: grattacieli & ponti (segue)

Grattacieli a Chicago. Fonte: foto R. Landolfo

Grattacieli a Chicago. Fonte: foto R. Landolfo


L’età moderna: grattacieli & ponti (segue)

Grattacieli a Hong Kong. Fonte: foto R. Landolfo

Grattacieli a Hong Kong. Fonte: foto R. Landolfo


L’età moderna: grattacieli & ponti (segue)

I ponti
L’enorme progresso che si ebbe durante la prima metà dell’Ottocento riguardò non soltanto gli edifici. Significativi furono infatti anche gli avanzamenti nella costruzione di ponti metallici, favoriti dallo sviluppo delle linee ferroviarie e dalla messa a punto del ferro laminato.
Il primo ponte dell’età moderna fu il Ponte sul Severn di A. Derby, costruito nel 1775, con struttura in ghisa costituita da un’unica arcata quasi circolare con luce di circa 30 m.
Presto questo materiale fu sostituito dal ferro pudellato, che raggiunse il suo apice con la costruzione del Britannia Bridge, progettato da Stephenson e caratterizzato da una sezione trasversale tubolare all’interno della quale passava il treno.
Un altro momento significativo nella storia della costruzione dei ponti fu sicuramente rappresentato dalla realizzazione nel 1833 del Brooklyn Bridge, ponte “sospeso” progettato da John Roebling. In questo caso infatti, grazie all’effetto di sospensione realizzato mediante cavi costituiti da fili di acciaio galvanizzato, fu possibile raggiungere ben 1054 m di lunghezza, con una luce centrale di 486 m ed un altezza libera di 41 m.
La fine del XX secolo ha visto l’introduzione di tecnologie e materiali del tutto nuovi per i ponti, che hanno permesso di coprire luci sempre più ampie come i 1991 m dell’Akashi Kaikyo in Giappone.

Il primo ponte in Ghisa: Fiume Severn, Inghiterra 1779 – luce 30.62m. Fonte: Wikimedia Commons

Il primo ponte in Ghisa: Fiume Severn, Inghiterra 1779 - luce 30.62m. Fonte: Wikimedia Commons

Il ponte di Brooklyn, 1883. Fonte: Ephemeral New York; il ponte Britannia, 1850. Fonte: Wikimedia Commons

Il ponte di Brooklyn, 1883. Fonte: Ephemeral New York; il ponte Britannia, 1850. Fonte: Wikimedia Commons


L’età moderna: grattacieli & ponti (segue)


Crolli

Gli insuccessi
Naturalmente l’evoluzione dell’arte del costruire è stata contrassegnata anche da numerosi insuccessi.
Il primo crollo strutturale può essere considerato quello della torre di Babele, che crollò, secondo il mito, per volontà divina.
Il mausoleo greco di Alicarnasso costruito nel 352 a.C., fu invece distrutto da un terremoto nel XIV sec., mentre il tempio di Diana ad Efeso (Turchia), costruito nel 550 a.C., fu distrutto da un incendio nel IV sec.
Oltre alla volontà divina, ai terremoti ed agli incendi, numerose possono essere le cause di crolli strutturali.

La torre di Babele. Fonte: Settemuse, il tempio di Diana a Efeso (incendio). Fonte: Imageshack, il mausoleo di Alicarnasso. Fonte: Allaboutturkey e il faro di Alessandria (terremoto). Fonte: Popoli Antichi

La torre di Babele. Fonte: Settemuse, il tempio di Diana a Efeso (incendio). Fonte: Imageshack, il mausoleo di Alicarnasso. Fonte: Allaboutturkey e il faro di Alessandria (terremoto). Fonte: Popoli Antichi


Crolli (segue)

Cedimenti
Non mancano esempi di crolli dovuti a cedimenti fondazionali: il campanile di S. Marco a Venezia, eretto tra l’888 ed il 1170, collassò infatti improvvisamente nel 1902 proprio a causa di cedimenti differenziali in fondazione.
Durante la notte del 2 Dicembre 1959, dopo 5 giorni di piogge intense, la diga di Malpasset si fessurò all’improvviso come un guscio d’uovo e si ruppe. La causa del disastro non fu imputata direttamente alla struttura, ma ad un cedimento di una delle spalle della diga, che aveva poi causato la fessurazione della struttura.

Crollo del Campanile di S. Marco, Venezia, 1902. Fonte: Venise acqua vite

Crollo del Campanile di S. Marco, Venezia, 1902. Fonte: Venise acqua vite

Diga ad arco Malpasset, Francia, 2 dicembre 1959. Fonte: Giorgio Temporelli

Diga ad arco Malpasset, Francia, 2 dicembre 1959. Fonte: Giorgio Temporelli


Crolli (segue)

Vento
Il 1° Luglio 1940, veniva inaugurato il ponte Tacoma, soprannominato sin dai primi giorni “Galloping Gertie”, a causa dei suoi movimenti ondulatori in presenza di vento.
A causa di un difetto aerodinamico di progettazione, il 7 novembre 1940, sotto l’azione di un vento di appena 60 Km/h, il ponte crollava. Il fenomeno fisico dell’instabilità aerodinamica, che non si era rivelato in ponti più pesanti, determinò il comportamento del Tacoma Narrows.

Crollo del ponte Tacoma Narrows nel 1940. Fonte: Technorati

Crollo del ponte Tacoma Narrows nel 1940. Fonte: Technorati


Crolli (segue)

Risonanza
Nel 1981, l’atrio dell’Hyatt Regency Hotel ospitava 1600 persone, che partecipavano ad una gara di danza, saltando insieme a ritmo di musica. Si innescò un fenomeno di risonanza che fece collassare le passerelle. Le responsabilità del disastro furono addossate ai progettisti della struttura, che non avevano ben dimensionato i collegamenti in acciaio.
Terremoti
Come già evidenziato, i terremoti sono stati fin dall’antichità la causa più frequente di crolli strutturali.
Le accelerazioni del terreno causate dai terremoti determinano infatti nelle costruzioni sollecitazioni aggiuntive di natura dinamica i cui effetti possono essere devastanti, come mostrano le immagini che si riferiscono a due terremoti recenti.

Hyatt Regency Hotel, Kansas City, Missouri, 1981, 44 vittime. Fonte: Seaint

Hyatt Regency Hotel, Kansas City, Missouri, 1981, 44 vittime. Fonte: Seaint

Il terremoto di Nothridge, 1994 – 72 vittime. Fonte: Berkeley

Il terremoto di Nothridge, 1994 - 72 vittime. Fonte: Berkeley


Crolli (segue)

Terremoto de L’Aquila, 6 aprile 2009. Fonte: foto R. Landolfo

Terremoto de L'Aquila, 6 aprile 2009. Fonte: foto R. Landolfo


Crolli (segue)

Gli eventi eccezionali
Causa di crollo possono essere infine le azioni di tipo eccezionale, ossia non previste in fase di progetto.
È stato ormai accertato come le cause del crollo del World Trade Center non siano da ricercarsi direttamente nelle forze sprigionatesi per effetto dell’impatto con i due aerei, ma nelle elevate temperature provocate dagli incendi che si sono subito sviluppati.
Le strutture portanti in acciaio non hanno retto alla violenza ed alla diffusione delle fiamme: quando le temperature hanno raggiunto gli 800°C, la resistenza e la rigidezza del materiale si sono drasticamente ridotte, causando così il crollo degli edifici.

World Trade Center, New York, 11 settembre 2001. Fonte: Ilovepolitics

World Trade Center, New York, 11 settembre 2001. Fonte: Ilovepolitics


Le sfide future dell’architettura strutturale

Edifici alti
L’ambizione a realizzare progetti più imponenti ed incredibili ha stimolato continuamente la ragione umana consentendo agli ingegneri ed architetti di mirare e raggiungere traguardi sempre più grandiosi.
La torre Burj Khalifa, attualmente l’edificio più alto del mondo, è stata progettata da Skidmore, Owings & Merrill. La pianta dell’edificio è composta tre strutture dalla particolare forma aerodinamica collegate ad un core centrale. Il Burj Khalifa possiede inoltre il più veloce ascensore al mondo che raggiunge una velocità di ben 18 m/s (64.8 km/h).
L’incredibile primato del BK, però, è già stato superato, anche se in via del tutto progettuale, dall’ideazione della Mile-High Jeddah Tower. Quest’ultima infatti raggiunge un’altezza complessiva di 1,607 Km, e si caratterizza per la rastremazione in altezza e per l’uso di una sezione variabile e di spigoli arrotondati. La struttura è ricoperta di anemometri che misurano la velocità e la direzione del vento, trasmettendo le informazioni acquisite ad un centro di calcolo che attiva i pannelli, comandati da motori, che fasciano la pelle strutturale. Questi ultimi fungono da alettoni, controllando e mitigando i fenomeni di interazione vento-struttura.

Burj Khalifa Tower, 2010, Dubai. Fonte: Wikimedia Commons

Burj Khalifa Tower, 2010, Dubai. Fonte: Wikimedia Commons

Progetto della Mile-High Jeddah Tower e confronto con la Burj Khalifa (primo a destra). Fonte: Trendhunter

Progetto della Mile-High Jeddah Tower e confronto con la Burj Khalifa (primo a destra). Fonte: Trendhunter


Le sfide future dell’architettura strutturale (segue)

Il ponte sullo stretto di Messina
Nel campo dei ponti una di queste sfide è rappresentata dalla costruzione del ponte che congiungerà le sponde dello Stretto di Messina. Centosessantaseimila tonnellate è il peso dei soli cavi in acciaio che, presto o tardi, dovrebbero sostenere i 3300 metri di campata unica che daranno al ponte sullo Stretto di Messina la palma del primo ponte sospeso al mondo per lunghezza della campata centrale.

Il ponte sullo stretto di Messina. Fonte: Immagine fornite da “Stretto di Messina S.p.A”

Il ponte sullo stretto di Messina. Fonte: Immagine fornite da "Stretto di Messina S.p.A"


I materiali di supporto della lezione

Eduardo Torroja, La concezione strutturale, CittàStudiEdizioni, Milano, 1995

Sergio Polano, Santiago Calatrava, Opera completa, Electa, Milano, 1996

Charles Singer, Storia della tecnologia, Bollati Boringhieri, Torino, 1992

R. Sparacio, La scienza e i tempi del costruire, Utet Libreria, Torino, 1999

Ivo Iori, Principi statici e tecniche costruttive nel loro sviluppo storico, Hevelius Edizioni, Benevento, 2000

Schulitz, Sobek, Habermann, Atlante dell'acciaio, UTET, Torino, 1999

Schittich et al., Atlante del vetro, UTET, Torino, 1999

Kind et al., Atlante del cemento, UTET, Torino, 1998

Enzo Siviero, Il ponte e l'architettura, CittàStudiEdizioni, Milano, 1995

Matthys Levy, Mario Salvadori, Perché gli edifici cadono, Strumenti Bompiani, Milano, 1999

Ken Follet, I pilastri della terra, Arnoldo Mondadori, 1996

Mazzolani Federico Massimo, Landolfo Raffaele, Le strutture metalliche (in Ingegneria delle Strutture, ed. E. Giangreco), Vol. 3, UTET, pp 151-233, 2002.

Landolfo Raffaele, Le costruzioni di acciaio (in La concezione strutturale nel progetto di architettura, eds A. Benedetti, E. Siviero); Editrice Compositiri S.r.l, Bologna, pp.176-205, 2002.

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