CAPITOLO 4 4
UNA COPERTURA TRASPARENTE PER I CORTILI INTERNI DELLA FACOLTA’ DI INGEGNERIA DI PISA:
REQUISITI DI PROGETTO
E POSSIBILI TIPOLOGIE STRUTTURALI
CAPITOLO 4
UNA COPERTURA TRASPARENTE PER I CORTILI INTERNI DELLA FACOLTA’ DI INGEGNERIA DI PISA:
REQUISITI DI PROGETTO
E POSSIBILI TIPOLOGIE STRUTTURALI
Un’opera tecnicamente perfetta può a volte risultare esteticamente inespressiva, ma non è mai esistita, né ora né in passato, un’opera di architettura riconosciuta eccellente dal punto di vista estetico che non fosse eccellente anche dal punto di vista tecnico. Una buona ingegneria sembra essere condizione necessaria – benché non sufficiente – per una buona architettura.
Pier Luigi Nervi
4.1 Introduzione
L’edificio principale della Facoltà di Ingegneria di Pisa , risalente agli anni trenta del XX secolo ma più volte ingrandito e trasformato nei suoi volumi interni [1], forma in pianta un grande rettangolo di dimensioni approssimative di 110x50m. Tale grande volume presenta al suo interno tre cortili, di cui uno, quello centrale, dalla forma irregolare, e i due laterali rettangolari di dimensioni approssimative di 20x17m.
Scopo di questo capitolo è mostrare il processo attraverso il quale siamo giunti alla formulazione di una ipotesi di copertura dei cortili rettangolari, partendo dai requisiti di progetto e confrontando alcune possibili alternative.
Figura 1: a sin: vista aerea dell'edificio della Facoltà di Ingegneria, con in evidenza i tre cortili interni; a dxt:
uno dei cortili, in una foto che mostra la cornice di prestigio in cui si inserisce l’edificio.
4.2 I requisiti di progetto
4.2.1 I vari aspetti da considerare nella progettazione: l’approccio olistico
Ogni progetto ha dei requisiti specifici da rispettare e delle esigenze cui fornire una valida soluzione. Le richieste cui un progetto deve rispondere, però, raramente attengono ad un unico campo del sapere. In particolare un intervento edilizio richiede l’analisi preventiva degli aspetti statici, ma anche funzionali, fisico-tecnici, estetici, etc.., né, ovviamente, può prescindere da valutazioni
economiche.
Per questo motivo, per quanto la nostra analisi sia incentrata sugli aspetti statici/strutturali, abbiamo ritenuto opportuno premettere alcune brevi valutazioni relative agli altri aspetti.
Si definisce approccio
“olistico” alla progettazione (dal greco “hólos”, “tutto intero”) quello che punta alla qualità dell’insieme, vista non come sommatoria dei singoli aspetti (e competenze), bensì come integrazione delle varie esigenze nel migliore compromesso possibile.
Figura 2: nella definizione di un progetto concorrono aspetti di varia natura, che interagiscono tra di loro: un buon progetto non è quello che risolve nel migliore dei modi un aspetto
trascurando gli altri, bensì quello che integra i diversi aspetti nel migliore dei modi.
4.2.2 Aspetti funzionali: possibili utilizzi del cortile coperto
La crescita consistente del numero degli studenti e l’istituzione di nuovi indirizzi di studio ha portato negli anni all’esigenza di creare nuovi spazî per la Facoltà di Ingegneria di Pisa. L’edificio oggetto della nostra proposta di intervento, sede storica della Facoltà, è stato via via affiancato da altri edifici posti nelle vicinanze, ed ha subito esso stesso modifiche ed ingrandimenti per ottenere nuovi spazî per la didattica e la ricerca.
Gli interventi che lo hanno riguardato hanno avuto un carattere di asistematicità e sono stati rivolti esclusivamente al soddisfacimento delle contingenti richieste di carattere pratico.
In questo senso lo spazio lasciato libero dai cortili (ca. 1000m^2) potrebbe essere sfruttato opportunamente. In realtà la chiusura dei cortili dovrebbe essere l’occasione per ottenere sì nuovi spazi, ma di qualità.
Numerosi sono gli esempi in Europa di cortili interni successivamente chiusi affinché
svolgessero nuove funzioni, da quelle museali alle aule di parlamenti. Nel nostro caso i
cortili, coperti con una struttura trasparente, potrebbero essere sfruttati ad esempio come luminose aule studio, oppure svolgere un ruolo distributivo, inserendovi nuove scale, rampe, o nuovi ascensori, questi ultimi particolarmente carenti nel vecchio edificio; ancora, si presterebbero egregiamente a funzioni di rappresentanza o come sede ideale per esposizioni temporanee; in questi due ultimi casi l’aspetto formale della copertura potrebbe contribuire non poco all’immagine complessiva dell’edificio della Facoltà.
Tutto ciò tenendo presente che qualsiasi soluzione progettuale non dovrebbe in ogni caso andare a compromettere le due importanti funzioni che attualmente il cortile svolge, descritte nel paragrafo seguente.
4.2.3 Illuminazione e ricambio d’aria: funzioni principali del cortile
In un edificio di queste dimensioni i tre cortili hanno la fondamentale funzione di garantire sia l’illuminazione degli ambienti interni, che il ricambio d’aria. Su di essi infatti si affacciano numerose stanze, corridoi, aule, che necessitano di luce naturale e della possibilità di disporre di aria fresca dall’esterno.
Per questi motivi è secondo noi indispensabile che la struttura di copertura provveda ad impedire l’accesso dell’acqua, rimanendo al contempo permeabile al flusso di aria, e risulti più trasparente possibile per garantire il passaggio della massima quantità di luce, pur lasciando aperta la possibilità di inserire dispositivi di schermatura e filtraggio nei mesi estivi.
Figura 3: da sin verso dxt: la copertura deve garantire l'impermeabilità nei confronti dell'acqua, ma al tempo stesso garantire il passaggio della luce e un costante ricambio d’aria da e verso l’esterno.
Per quanto riguarda la permeabilità
all’aria, riteniamo che essa debba essere sempre
garantita, e pertanto non affidata a sistemi di
aperture meccaniche. Una interessante
soluzione progettuale a questo problema è
quella adottata nella copertura dell’Abbazia di
Neumünster (progettata da RFR, vedi capitoli 1
e 3), dove è stata lasciata un’apertura filante
lungo tutto il perimetro, sfruttando il canale di
gronda del tetto esistente per impedire l’ingresso
delle acque meteoriche. In questo modo è stata
garantita una adeguata ventilazione. La verifica del funzionamento di questo sistema è stata svolta dallo studio Arup, attraverso una apposita simulazione termica [2].
La complessità del fenomeno non consente di affrontare una verifica analoga all’interno di questo lavoro, rimane però valido il concetto da un punto di vista qualitativo, lasciando le valutazioni quantitative ad una analisi successiva.
In caso di incendio poi, aperture di questo tipo consentono un sicuro allontanamento dei fumi, che può essere ulteriormente migliorato
prevedendo anche degli evacuatori ad apertura meccanizzata.
Per quanto riguarda invece l’illuminazione, essa non solo deve essere valutata in termini quantitativi, ma anche qualitativi. Ad esempio, a seconda della destinazione d’uso dell’ambiente, può essere importante cercare di ridurre al minimo le ombre portate causate dalla struttura di copertura, qualora occorra una diffusione omogenea della luce.
1Sotto questo aspetto, una struttura costituita da elementi di sezione trasversale contenuta
2risulta in generale più soddisfacente.
4.2.4 Riqualificare il cortile nel rispetto dell’edificio storico ma con un deciso linguaggio contemporaneo
A nostro avviso un intervento su un edificio fortemente caratterizzato quale quello in oggetto deve essere tale da rispettarne l’equilibrio architettonico, senza comunque rinunciare ad un proprio linguaggio formale.
Considerando anche le condizioni attuali dei cortili, assai compromesse dai precedenti interventi, pensiamo sia opportuno riqualificarli attraverso una decisa connotazione high-tech della copertura, tenuto conto anche della funzione del contenitore (una facoltà tecnica).
Nei riguardi dei prospetti esterni, invece, l’intervento deve rispettare le proporzioni dell’edificio storico, in particolare le partizioni della facciata, che non corrispondono in pianta alla conformazione dei cortili. Una struttura in acciaio e vetro che
1 Un esempio in negativo in questo senso è fornito dalla biblioteca dell’ Institut du Monde Arabe di Parigi, dove i suggestivi tecnologici arabeschi delle vetrate di facciata impediscono una agevole consultazione dei testi.
2 Considerando ad esempio elementi di dimensione trasversale d=60mm, essendo la distanza media terra-sole Rts pari a 149.5 milioni di km ed il diametro del sole Φs pari a 134000 km, possiamo scrivere facilmente la distanza teorica massima D cui si estende l’ombra portata netta degli elementi: D d =Rts Φs
D ≈ 6 , 5 m
sporga di poco rispetto al colmo dell’edificio, senza prevalere su quest’ultimo,
3e che possa invece essere ben osservata dall’interno dei cortili, può in questo senso costituire una valida soluzione.
4.2.5 Alcune considerazioni statiche
Più ancora del rispetto estetico-storico dell’edificio, comunque importante, fondamentale è il rispetto del funzionamento statico dello stesso. Ovvero a nostro avviso è opportuno che le nuove strutture gravino il meno possibile sull’edificio storico, sia in termini quantitativi (peso ridotto) che qualitativi (azioni che possano essere ben assorbite da un edificio in muratura, quindi prevalenza di compressioni verticali, ed eventuali spinte orizzontali limitate ad un minimo).
Come prima cosa abbiamo dunque individuato la posizione dei muri portanti dell’edificio. Intorno ai cortili si hanno tre serie di muri portanti: quello interno, costituito dai muri delimitanti il perimetro stesso del cortile, quello centrale di spina, e quello esterno. In corrispondenza degli angoli dei cortili tali muri portanti si incrociano, formando un sistema ortogonale di muri in grado potenzialmente di assorbire azioni orizzontali nelle due direzioni.
Sulla base di questa valutazione ci siamo convinti dell’opportunità di concentrare gli appoggi delle nuove coperture in queste zone, più rigide e resistenti, ed in particolare disporre gli stessi in asse con i muri portanti.
Una soluzione di questo tipo, oltre che razionale da un punto di vista statico, è valida anche sotto l’aspetto economico, poiché limita al massimo gli interventi sul tetto (si interviene solo nei quattro angoli) e non richiede né nuove fondazioni, appoggiandosi direttamente sull’edificio preesistente, né complessi sistemi di irrigidimento dei solai ed incatenamenti di vario genere. E’ sufficiente infatti disporre localmente dei cordoli in calcestruzzo cementizio armato che distribuiscano sui muri le azioni concentrate dei vincoli.
3 La questione non è di poco conto, in quanto l’edificio sorge nelle vicinanze della monumentale Piazza dei Miracoli di Pisa, e le coperture dei cortili sono ben visibili dalla cima della Torre Pendente.
4.2.6 Sull’uso dei pannelli fotovoltaici: nuove tipologie di pannelli trasparenti
La realizzazione delle coperture potrebbe essere l’occasione per inserire nelle stesse dei pannelli fotovoltaici, recuperando la maggiore spesa costruttiva con la produzione ecocompatibile di energia elettrica solare, sfruttando gli incentivi previsti a livello europeo e nazionale
4[3]. Per un uso in edilizia dei pannelli fotovoltaici si veda [4].
Per quanto riguarda il nostro lavoro, ci limitiamo a segnalare che le tipologie tradizionali di pannelli non sarebbero compatibili con l’esigenza di lasciar filtrare la massima luce possibile; è stato però di recente introdotto sul mercato un nuovo prodotto [4] con cellule fotovoltaiche di dimensioni così ridotte da costituire nel loro insieme una leggera retinatura (vedi foto). Tali tipologie di pannelli potrebbero essere impiegati al posto di altri metodi di
schermatura (il loro aspetto è equivalente a quello dei rivestimenti selettivi realizzati con sottili films metallici) nelle zone della copertura maggiormente esposte ai raggi solari, poiché essi garantiscono una filtrazione della luce che, pur leggermente ridotta, risulta distribuita in maniera ottimale.
Il nostro progetto prevede la possibilità di usare indifferentemente lastre di vetro di sicurezza tradizionali oppure di sostituirle con analoghe lastre laminate con inseriti nello spessore questi moduli fotovoltaici trasparenti
5. Peso, spessori e resistenza delle lastre rimangono invariati.
4 E’ previsto da un apposito Decreto Ministeriale un incentivo per la produzione elettrica da fonte solare [3]
5 Si osserva che pannelli di questo tipo risultano meno costosi se si evita di ricorrere a sistemi di sostegno che prevedano la foratura delle lastre.
4.3 Possibili tipologie strutturali
4.3.1 Valutazione preliminare di varie tipologie strutturali
Sulla base dei dati di progetto abbiamo formulato alcune ipotesi preliminari di coperture reticolari in acciaio e vetro. Tra queste, alcune sono state escluse per considerazioni di tipo statico; ad esempio, la tensostruttura di figura1, a nostro avviso pregevole sotto l’aspetto estetico, presenterebbe difficoltà di inserimento nell’edificio preesistente a causa delle elevate sollecitazioni di trazione nei cavi e di compressione nell’arco centrale. Altre soluzioni sono state scartate sulla base di motivazioni estetiche.
1 2
3 4
Figura 4: alcuni schizzi di progetto per determinare la tipologia di copertura più adatta: 1: tensostruttura disposta secondo una (pseudo)superficie rigata; 2: piramide; 3: volta a padiglione; 4: volta “pillow shaped”.
Al termine di questo esame preliminare abbiamo ristretto il campo di scelta alle due soluzioni a nostro parere più adeguate sia sotto il profilo statico, che per motivazioni di inserimento architettonico ottimale: la volta sottile a padiglione e la volta sottile a vela.
4.3.2 Perché una volta sottile?
Dovendo coprire un cortile di forma prossima a quella quadrata abbiamo pensato a strutture che sfruttassero le due dimensioni e quindi abbiamo scartato subito soluzioni costituite da travi affiancate.
Volendo ottenere una copertura leggera sia da un punto di vista ponderale che visivo, abbiamo scartato più in generale il tema flessionale, che pur potendo essere declinato in un sistema reticolare spaziale leggero, non fornisce comunque quell’aspetto di chiarezza e trasparenza visiva che vogliamo ottenere.
Restano dunque quelle strutture che sfruttano la loro forma per portare a terra i carichi col minore intervento possibile dei momenti di forza. Tra esse però quelle lavoranti a sollecitazioni prevalenti di trazione, le così dette tensostrutture, si prestano male ad essere inserite in un vecchio edificio a causa delle azioni di trazione che impongono ai vincoli.
Da queste considerazioni discende la scelta della tipologia di copertura a volta sottile reticolare (vedi capitolo 3), caratterizzata da spiccate doti di leggerezza e da azioni vincolari di compressione, compatibili con l’edificio in muratura esistente.
4.3.3 La volta a padiglione
La volta a padiglione nasce dall’intersezione di due volte a botte, che dà luogo a quattro spicchi divisi da spigoli lungo le diagonali. Si differenzia dalla volta a crociera [6]
perché gli spicchi, detti “fusi”, poggiano interamente sulla linea di imposta, mentre in quest’ultima poggiano su archi e sono detti
“unghie”. La volta a padiglione può anche
caso si ha più propriamente una “volta a botte con teste di padiglione”. E’ una tipologia di volta utilizzata molto nell’edilizia storica, e si presta assai ad essere inserita in edifici antichi, come ad esempio la copertura della Cour Richelieu del Louvre (vedi capitolo 2).
Da un coprire vani
allungati, nel qual
punto di vista statico, gli spigoli possono
essere nervati e convogliare il flusso di forze lungo le
diagonali per riportarlo negli angoli. Questa loro
caratteristica le rende adatte alla disposizione degli
appoggi prevista nel nostro progetto. Una caratteristica
meno favorevole è rappresentata invece dal fatto che i
fusi che la costituiscono sono molto più deformabili
nella loro zona centrale. Questo aspetto richiede
l’adozione di diaframmi di cavi (come nella Cour
Richelieu), oppure di elementi più rigidi, o infine, il ricorso a fusi caratterizzati da una doppia curvatura (come ad esempio nella splendida copertura del Grand Palais a Parigi), cosa questa che complica i dettagli della struttura ed in definitiva non rientra nella tipologia di volta a padiglione propriamente detta.
4.3.4 La volta a vela
La volta a vela nasce dall’intersezione di una porzione di sfera (ma anche ellissoide) con dei piani (usualmente verticali) sui quattro lati (se a base quadrata, altrimenti con un numero di piani uguale al numero dei lati del vano da coprire).
E’ una volta dall’aspetto elegante poiché all’intradosso risulta priva di nervature, per questo molto utilizzata ad esempio nell’architettura rinascimentale (si pensi all’Ospedale degli Innocenti
del Brunelleschi). Tra le coperture a vela realizzate con materiali metallici, di particolare bellezza ed eleganza risultano quelle progettate dall’ingegnere Henri Labrouste per la copertura della Bibliothèque Nationale di Parigi.
La volta a vela è stata impiegata anche in più recenti coperture reticolari in acciaio e vetro, specialmente nella configurazione ribassata.
Figura 5: a sin: un esempio ottocentesco di volte a vela in materiali metallici (Ing. H. Labrouste, Parigi);
a dxt: un esempio contemporaneo (Ing. J.Schlaich, Berlino).
