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CAPITOLO 1 – GENERALITA’ SULLE TENSOSTRUTTURE
1.1 Cenni
storici
Mentre le tende delle popolazioni nomadi hanno una storia antica, le nostre attuali strutture a membrana, che derivano direttamente dalle grandi tende trasportabili impiegate per i circhi itineranti, hanno origini nel diciannovesimo secolo, grazie allo sviluppo delle tecnologie di filatura e tessitura meccaniche, e sono diventate molto diffuse nella seconda parte di quel secolo e ai primi del Novecento.
Una tenda da circo sul modello detto "Chapiteau" misurava circa 50 m di diametro e veniva realizzata a macchina in tessuto di lino o in tela di canapa. La tenda "Chapiteau", inizialmente con forma a ombrello sorretta da un solo palo centrale, si diffonde nella variante successiva sorretta al suo centro da due, quattro o sei pali principali, posti sull'anello interno di separazione tra la pista del circo e lo spazio per gli spettatori. La tela, appesa a questi alti pali, detti antenne, si dispiegava fino ai pali posti lungo il perimetro esterno, opportunamente sorretti da corde ancorate nel terreno. Tra il perimetro esterno e gli alti pali centrali era presente un ulteriore anello di pali inclinati di 60° rispetto al terreno, detti contropali, con la funzione di mettere leggermente in pretensione la stoffa, diminuendone così il movimento superficiale, impedendole di sbattere sotto l'azione del vento, e favorendo infine l'effluvio delle acque meteoriche. I tendoni dei circhi rappresentano un avanzato traguardo in termini di portatilità e di facilità di assemblaggio: ogni parte del sistema è pensata per essere spostata e messa in posizione al massimo da due uomini e infine fissata da uno soltanto, senza ricorrere all'ausilio di alcuno strumento. Sebbene le tende circensi fossero coperture itineranti e dunque non esposte a eccessivi carichi dovuti al clima, quali vento e neve, nel loro processo progettuale erano già presenti due principi peculiari delle moderne strutture tessili: la deformabilità della superficie che determina la forma e la pretensione.
La Raleigh Livestock Arena (Fig. 1.1) nel Nord Carolina, Stati Uniti, progettata dall'ingegnere Fred Severud e dall'architetto Matthew Nowicki e completata nel 1952, costituisce il primo esempio di copertura di grande luce costituita da una struttura a rete a due vie. La forma di questa copertura, sospesa per una luce di 95 m, e irrigidita da un paio di archi inclinati l'uno rispetto all'altro di 20° sull'orizzontale, può essere considerata il precursore delle moderne strutture a membrana. Essa presenta infatti due caratteristiche
4 essenziali delle forme a membrana ancora oggi in uso: i bordi ad arco agiscono insieme nel contenere le forze in uscita dalla rete di cavi, mentre la configurazione degli archi dà luogo a una superficie di copertura dalla forma a doppia curvatura di tipo anticlastico, comunemente detta forma a sella.
L'Arena di Raleigh diventò l'archetipo di un grande numero di coperture in rete di cavi realizzate in tutta Europa, in Russia e in Cina, così come nel Nord e Sud America. L'uso intelligente dell'alternanza tra cavi di cima (colmo) e cavi di gola (valle) ha contribuito a creare involucri edilizi continui, i cui piani inclinati fungono sia da copertura che da pareti perimetrali.
FIG. 1.1: Raleigh Livestock Arena, Stati Uniti FIG. 1.2: Federal Garden Exhibition
Nei dieci anni successivi, seguendo le ricerche di Raleigh, l'architetto tedesco Frei Otto sviluppò una propria conoscenza nella progettazione delle tende grazie alla fruttuosa collaborazione con il produttore di tende Peter Stromeyer. Tra il 1955 e il 1965 molte tende a forma libera e a doppia curvatura furono progettate e realizzate per i Federal Garden Exhibition (Fig. 1.2) e per altre esposizioni nazionali come quella di Losanna nel 1964. Ognuno di questi eventi rappresentò un’occasione per sperimentare idee nuove sulla forma, sulle tecniche di sollevamento e sulle condizioni di carico delle tende, realizzate sempre con diversi generi di stoffa e con vari metodi di giunzione.
La sua prima rete di cavi di grandi dimensioni, progettata insieme al collega architetto Rolf Gutbrod, fu il Padiglione tedesco per l'Expo di Montreal (Fig. 1.3) nel 1967. Sia architettonicamente che strutturalmente, essa rappresentava un punto di partenza significativo, per molteplici motivi: aveva una pianta davvero di forma libera che si sviluppava in meandri attorno ai bordi del lago, quasi che l'edificio stesso diventasse paesaggio, annullando così la convenzionale separazione tra costruito e ambiente naturale. Per conformarsi all’irregolarità della pianta, la rete di cavi fu appesa da alberi di altezze e
5 inclinazioni diverse, con la concentrazione di forze intercettate abilmente in sommità degli alberi e portate da cavi a cappio giacenti all'interno della superficie netta. Diecimila metri quadrati di tessuto di poliestere rivestito in pvc furono sospesi dalla rete di cavi e messi in tensione a formare la superficie dell'involucro. Il metodo di progettazione di Frei Otto consisteva in un attento lavoro di esplorazione supportato da una sequenza di modelli fisici via via più dettagliati e accurati. Dal momento che il comportamento delle strutture resistenti per forma è ampiamente condizionato dalla loro geometria, questo approccio progettuale gli permise di combinare le sue ambizioni architettoniche con la logica strutturale, dando luogo a un metodo costruttivo originale. Il percorso progettuale richiedeva molto tempo e una cura minuziosa per costruire un modello definitivo sufficientemente dettagliato da poter essere misurato e utilizzato sia per l'analisi strutturale che per i disegni di dettaglio. L'ingegnerizzazione del Padiglione tedesco all'Expo di Montreal fu condotta dallo studio di Leonhardt ed Andra che, insieme a Giinter Behnisch e Frei Otto, continuarono poi a sviluppare questa tecnologia fino alla realizzazione nel 1972 della sorprendente copertura per i giochi olimpici a Monaco di Baviera (Fig. 1.4).
FIG. 1.3: Padiglione tedesco all'Expo di Montreal FIG. 1.4: Stadio giochi olimpici a Monaco di Baviera
Questo progetto, in virtù delle sue grandi dimensioni e della rilevanza dell'evento per cui era destinato, ha segnato una svolta significativa nel passaggio dai metodi di collaudo su modelli fisici ai nuovi metodi computerizzati, al fine di valutare il comportamento strutturale e la capacità di carico di una struttura resistente per forma.
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1.2 Vantaggi
dell’architettura
tensile
Le membrane sottoposte a tensione hanno qualità molto speciali, principalmente dovute all'univocità del percorso che ne determina la forma e la struttura e alla natura dei materiali a membrana. Per queste ragioni esse permettono soluzioni architettoniche che sistemi di edificio convenzionali non possono offrire.
Leggerezza. Le strutture tessili sono leggere in termini di peso perché la loro stabilità strutturale è dovuta alla loro forma pretesa piuttosto che alla massa dei materiali usati. La combinazione di una massa ridotta e di ampie luci fornisce al progettista l'opportunità di esprimere leggerezza e stabilità insieme, attraverso l'organizzazione e la definizione di ogni dettaglio costruttivo.
Traslucenza. La semi-trasparenza o traslucenza è una delle qualità maggiormente apprezzate dell'architettura realizzata con membrane tessili. È una caratteristica che può garantire l'apporto necessario di luce solare per l'utilizzo normale di un edificio, svolgendo un ruolo decisivo per l'efficienza energetica. Questo è particolarmente importante per edifici dove è richiesta un'illuminazione abbondante e addirittura ostentata, come per esempio in architetture con funzione commerciale. Tale traslucenza offre al progetto architettonico anche grandi possibilità dal punto di vista estetico, attraverso l'uso di giochi di luce naturale e artificiale. Di notte infine la traslucenza della membrana può trasformare l'architettura in una scultura di luce. All’occhio umano tali coperture appaiono luminose e traslucenti anche quando la trasmissione della luce è di percentuali minime, dando l'impressione di una struttura di copertura molto leggera.
Aspetto scultoreo. La particolare forma curva di una membrana tessile ha una qualità scultorea molto forte. La superficie sottoposta a tensione trova automaticamente in se stessa il proprio equilibrio. I movimenti verso l'alto e verso il basso della forma di una membrana anticlastica si bilanciano tra loro, ed è quindi possibile creare grandi edifici che sembrano fluttuare naturalmente tra il cielo e la terra, sfidando la forza di gravità. Questa qualità scultorea è sensazionale ed è apprezzabile sia all'interno sia all'esterno dell'edificio. Le architetture a membrana cambiano fortemente il loro aspetto grazie al gioco di luci e ombre dato dalla variazione della luce naturale nei diversi momenti della giornata. La luce solare proveniente dal basso al mattino e alla sera accentua la curvatura e la prospettiva della copertura, mentre al tramonto i margini sinuosi della membrana proiettano ombre curve sul terreno. L'utilizzo di sistemi d'illuminazione artificiali che sfruttano la
7 traslucenza così come le proprietà riflettenti dei materiali tessili possono enfatizzare l'effetto scultoreo di una struttura a membrana.
Flessibilità. Le strutture a membrana, essendo sottoposte a tensione, non sono rigide, ma modificano la loro forma in relazione alle condizioni del vento e della neve. La geometria della membrana risponde ai carichi applicati deformandosi e proprio la forma della sua copertura risulta essere la più efficiente per quel particolare tipo di carico. La flessibilità delle strutture tensili permette che si verifichino grandi modifiche non permanenti nella loro geometria. Il grado di deformazione e di reazione dipende dall'elasticità del materiale e dal livello di pretensionamento usati nella progettazione della struttura. L'intelligenza costruttiva delle strutture esistenti in natura può ispirare il processo progettuale architettonico.
Sicurezza. Le strutture leggere sono particolarmente stabili se sottoposte a carichi orizzontali, come accade durante i terremoti. In caso di crolli imprevisti le strutture leggere tendono a essere meno pericolose degli edifici convenzionali dato che hanno una massa molto ridotta. I rischi sono ancora minori quando la struttura tensile è stata progettata in modo da garantire che gli elementi portanti rigidi come pilastri e travi non crollino in caso di rottura della membrana. La flessibilità di strutture a membrana permette loro di trovare la forma più efficiente per ciascuna situazione particolare di carico. Il progettista dovrebbe assicurarsi che la membrana e tutti i componenti a essa correlati funzionino insieme in modo organico, così da evitare che si formi una concentrazione critica di forze all'interno della superficie a membrana o degli altri elementi.
Funzionalità. Le qualità delle strutture tessili possono essere adattate a un'ampia varietà di funzioni architettoniche, da semplici coperture di ombreggiamento a soluzioni progettuali complesse, ma ci sono alcune funzioni che si prestano in modo particolare a essere risolte con un'architettura a membrana.
Adattabilità e trasformabilità. Le strutture trasformabili, anche dette convertibili, sono sistemi creati per essere adattabili all'uomo, capaci, come molti organismi naturali, di modificarsi a seconda delle necessità. Queste strutture sono adattabili nella loro sistemazione spaziale e nella risposta alle variazioni climatiche. Tale approccio di progetto porta automaticamente alla possibilità di risparmiare energia, grazie al controllo della luce naturale e della temperatura interna. La flessibilità delle strutture convertibili rende possibile cambiare la percezione dello spazio architettonico che può sembrare più aperto o
8 più riparato. Il movimento elegante di una membrana trasformabile ben progettata dà la sensazione dell'armonia tra uomo e natura. L'estrema leggerezza e mobilità sintetizzano il concetto di "casa senza costruzione", disponibile solo quando e dove se ne ha bisogno.
Protezione dagli agenti atmosferici. Una delle funzioni principali di un tetto è offrire riparo e comfort in molteplici condizioni meteorologiche come sole, pioggia, vento e neve, a seconda delle diverse zone climatiche. La scelta della forma a membrana e del materiale dovrebbe prendere in considerazione tutte le situazioni, così da offrire un ambiente interno adatto, per quanto possibile usando strumenti passivi, cioè sfruttando l'architettura stessa per ridurre il consumo energetico dell'edificio. Materiali a membrana con una struttura aperta e porosa possono essere scelti per fornire soltanto ombra. Tali materiali permettono il controllo della trasmissione e della riflessione della luce del sole e allo stesso tempo portano luce diffusa all'interno e aumentano la ventilazione naturale. In questo modo si può mantenere la temperatura della superficie tessile al medesimo livello dell'aria circostante ed evitare che il calore venga irradiato nello spazio coperto. Per proteggere dalla pioggia e dalla neve, la forma tensile dovrebbe favorire il drenaggio facile e veloce dell'acqua e della neve. Per evitare infiltrazioni d'acqua, la membrana e gli altri elementi a essa connessi devono essere ben aderenti tra di loro, e le connessioni devono essere progettate nel dettaglio con molta attenzione, in modo da evitare che l'acqua penetri all'interno dell'involucro.
Forma architettonica espressiva. Qualunque edificio, attraverso la sua forma architettonica, è veicolo di un'idea progettuale. Le forme caratteristiche delle strutture a membrana sottoposte a tensione presentano una naturale bellezza che di per sé è una forte dichiarazione architettonica. Tali forme creano interessanti punti di riferimento nel territorio, sia di per sé, sia in contrasto con gli edifici convenzionali. Le strutture a membrana, se correttamente progettate, esprimono equilibrio strutturalmente e formalmente, e dunque valorizzano e facilitano l'integrazione sia con l'ambiente naturale, sia con l'ambiente artificiale urbano, storico o moderno. Le strutture leggere possono essere progettate e considerate come grandi elementi scultorei, dando vita agli spazi intorno a esse. In fase progettuale è possibile enfatizzare i caratteri di integrazione con il contesto o di contrapposizione a esso.
Mobilità e temporaneità. La leggerezza delle strutture tessili dà loro un vantaggio evidente sulle altre costruzioni, dato che sono considerate interventi reversibili
9 sull'ambiente. Due altri aspetti fondamentali sono la mobilità e la flessibilità. La progettazione di una struttura che può essere assemblata più e più volte in molti luoghi diversi è l'espressione dell'idea di mobilità connaturata a un'architettura tessile: essa è una sintesi tra la tenda nomade e la costruzione permanente. La leggerezza e la flessibilità del materiale tessile permettono a queste strutture di essere trasportate e montate facilmente e rapidamente e quando non vengono utilizzate occupano un volume minimo. L'edificio diviene mobile invece di essere immobile. Questo è di grande importanza per lo sviluppo accelerato delle città attuali e il conseguente cambio di destinazione d'uso di particolari zone, dal momento che questi edifici possono essere spostati e riutilizzati.
1.3
Esempi notevoli di spazi polifunzionali coperti con tensostrutture
Le tensostrutture a membrana offrono al progettista un’ampia scelta di forme e grande libertà nella definizione degli spazi e diverse soluzioni progettuali.
Qui di seguito sono riportati alcuni esempi di tensostrutture a membrane inerenti alla copertura di spazi polifunzionali come piazze, fiere, mostre, campi da gioco, etc.
Fig. 1.5: Copertura di Piazza Italia, Milano, 1985 Fig. 1.6: Padiglione espositivo Expo ’92, Siviglia
10 FIG. 1.8: Millennium Dome, Londra, 1996 FIG. 1.9: Uffici per la gestione rifiuti,
Monaco
FIG. 1.10: Padiglione Expo 2000, Hannover FIG. 1.11: Ippodromo, Regno Unito, 2001
FIG. 1.12: Feria del cavallo, Jerez de la
Frontiera
FIG. 1.13: Centro Fitness Antilles, Jonzac,
11 FIG. 1.14: Uffici e centro congressi, Belgio, 2003 FIG. 1.15: Teatro e cinema, Germania, 2004
FIG. 1.16: Ristorante e bar, Tailandia, 2005 FIG. 1.17: Wannsee Golf e Country Club,
Berlino,2003
