La forza e l’elegante leggerezza della pneumatica nelle costruzioni

Moderni e avanzati approcci progettuali consentono di massimizzare le prestazioni strutturali, conferendo leggerezza alle costruzioni. Questo permette il raggiungimento di traguardi ambiziosi che realizzano rapporti tra forma, struttura e materia e che sono in grado di esprimersi in realtà di alto valore ingegneristico.

L’esigenza per le strutture di una sempre più alta flessibilità spaziale, di una grande reversibilità nell’utilizzo, di una dinamicità progettuale hanno portato alla definizione di sistemi strutturali arditi, in grado di raggiungere punte di efficienza strutturale, che si manifestano in prestazioni delle strutture come la grande capacità di coprire luci ampie, massa limitata, alti carichi sopportabili in diverse configurazioni, elevata rigidezza, grande flessibilità e scomponibilità, rapida messa in opera. La dinamica della liberazione dalla pesantezza materiale della forma strutturale è sempre più efficace grazie a nuove tecnologie, conoscenza di strumenti progettuali ed evoluzione del pensiero: la smaterializzazione e l’alleggerimento ricevono un forte impulso evolutivo con la rivoluzione industriale, raggiungendo il felice risultato di un alleggerimento tanto materiale quanto percettivo. Questo si realizza con una virtuosa e progressiva specializzazione del progetto, dell’attenzione alla funzionalità, delle tecniche della espressiva delle parti che compongono la struttura nel suo insieme. La prefabbricazione, il coordinamento modulare, l’ottimizzazione di tempi e costi di trasporto e montaggio sono l’arma vincente di queste strutture leggere. Queste caratteristiche pregevoli implicano, però, necessità di elevata precisione costruttiva, attenzione al dettaglio e rigido approccio compositivo. Rigore, precisione, controllo sono alla base del progetto di numerose realtà della cultura tecnica della costruzione che utilizza materiali innovativi. L’efficienza strutturale si accomuna e si basa sulla capacità di utilizzare al meglio il materiale impe- gnato per sopportare i carichi. In particolare, tale approccio di efficienza spesso si spinge a progettare il materiale stesso, i sottosistemi oltre che, naturalmente, la struttura nella sua completezza. Con l’obiettivo di ottenere un pieno sfruttamento del materiale si tende a caricare il materiale in seguito a sforzo normale degli elementi costitutivi la struttura, evitando quelle tensioni che derivano da taglio, momento flettente e torcente, pensando ad un elemento strutturale assimilabile ad una trave. In tale logica le tensioni in gioco sono quelle normali, con una distribuzione quanto più uniforme possibile in seno al materiale stesso costitutivo gli elementi strutturali. Questo tipo di strategia di efficienza strutturale trova importanti riscontri in ambito naturale, dove strutture di organismi e realtà naturali sono portate a sopportare carichi, ricercando il massimo della efficienza.

Concetti come reversibilità, dinamicità, contemporaneità si traducono in strutture evolute con la presenza di componenti costruttivi definiti, dotati di una propria autonomia funzionale. Alla base di tale visione progettuale si pone l’utilizzo di sistemi e sottosistemi come telai o pennellature o come anche intere sottostrutture, con tecnologie tra le più diverse, con l’utilizzo di strutture pneumatiche o a memoria di forma o, ancora, di involucri di pannellature.

Figura 3 – Porzione di membrana con fibre tensionate con tensione ns e nk e con curvatura di raggio rkerseschema delle tensioni in strutture di una sala a membrana, strutture a cuscino ed a trave pneumatica.

La pressurizzazione per costruzioni efficienti

Nelle costruzioni pneumatiche, la differenza di pressione tra il volume chiuso all’interno della membrana e l’ambiente esterno e la costituzione geometrica e meccanica della membrana conferiscono alla costruzione la sua forma e hanno il compito vitale di assicurare l’equilibrio, la rigidezza e la stabilità della struttura, sotto l’azione dei carichi previsti. La membrana è pretensionata dalla sovrappressione interna, as- sicurando in questo modo un requisito fondamentale: che essa sia sempre in trazione. Il valore di sovrappressione per gli ambienti contenuti nella membrana ed accessibili non raggiungono valori al di fuori della fluttuazione barometrica. Questo consente di avere un habitat accettabile. Le strutture pneumatiche rappresentano una particolare famiglia di costruzioni a membrana, esse sono una sinergia di due componenti fondamentali che collaborano tra loro e che hanno una natura molto diversa: una membrana impermeabile all’aria e l’aria compressa in essa confinata. Le due componenti principali di una struttura pneumatica, aria compressa e membrana impermeabile, si comportano in funzione delle loro caratteristiche. La membrana è in uno corpo solido flessibile, le sue proprietà sono definite dalle proprietà del materiale e dalla geometria delle diverse parti costituenti, così come dal modo in cui i materiali vengono utilizzati e montati per la costruzione. Il modulo elastico di trama ed ordito, la densità di massa del rivestimento, il tipo e l’orientamento di trama ed ordito sono caratteristiche fondamentali per il comportamento della struttura nel suo insieme. Sarà l’aria compressa a tendere la membrana, che assumerà forma e volume fino alla definizione geometrica della struttura imposta dalla membrana. La massa minima della membrana e le ridotte dimensioni della struttura, quando non è pressurizzata, permettono una facile manipolazione ed un agevole trasporto. Questa possibilità di smontare la struttura e di trasportarla agevolmente impone una particolare attenzione in fase di ripiegatura della membrana: esiste il pericolo di concentrazione di tensioni nelle pieghe della membrana a struttura smontata. Le pieghe possono danneggiare la membrana, se non si presta particolare attenzione alla fase di smontaggio della struttura e ripiegamento della membrana stessa. Le strutture pneumatiche, quanto a comportamento strutturale, seguono leggi fisiche strutturali ben definite, che influenzano la definizione della forma e il progetto. In particolare, valgono relazioni la pressione relativa all’ambiente, la tensione del- le fibre della membrana ed il raggio di curvatura della membrana nei piani contenenti le fibre, come accennato, dove nk e ns sono versori lungo l’asse delle fibre e rk e rs sono i raggi di curvatura locale delle fibre, come in Figura 3.

Figura 4 – Comportamento di una bottiglia in PET sottoposta a carico di compressione assiale in due condizioni diverse: bottiglia pressurizzata (a) e bottiglia in assenza di sovrappressione relativa all’ambiente (b) (Proprietà dell’autore).

In Figura 4 si vede un contenitore in parete sottile per acqua gassata, sigillato, sottoposto ad una pressione interna relativa all’ambiente. Questa sovrappressione dipende da diverse condizioni, al massimo, da prove sperimentali, e può arrivare addirittura a dieci bar. In condizioni di lavoro normali la sovrappressione è ben lontana da questo valore. Il contenitore, una comune bottiglia in Polietilene (PET) per acqua gassata, è in grado di sopportare carichi che, in condizioni di assenza di sovrappressione interna, provocano il collasso del- la struttura in parete sottile. Si noti come la bottiglia in parete sottile abbia un peso di circa 0,4 N e sia in grado, se pressurizzata, di sopportare un carico assiale di 100N, nel caso rappresentato in Figura 4. Questo carico è il peso di sei bottiglie di un litro e mezzo di acqua unite in un incarto industriale. Questo significa che il carico ha un peso di più di duecento volte quello della struttura che lo sostiene, nell’esempio mostrato.

 

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Source: Stampi
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