CAPITOLO 3 – IL PROGETTO ARCHITETTONICO 3.1 Progettazione delle funzioni e distribuzione delle attività

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CAPITOLO 3 – IL PROGETTO ARCHITETTONICO

3.1

Progettazione delle funzioni e distribuzione delle attività

22 Il progetto, mostrato in Fig. 3.1, fornisce un esempio dei molteplici layout delle funzione e delle attività che si possono svolgere all’interno della tensostruttura a membrana ibrida. La piazza è stata divisa idealmente in due parti: nella parte superiore è stata studiata la distribuzione delle aree e dei percorsi per lo svolgimento di fiere e del mercato settimanale cittadino; nella seconda parte è prevista in posizione centrale una pista di pattinaggio sul ghiaccio che fornisce, nei mesi invernali, un luogo di divertimento per l’intera città ed è un’attrattiva turistica per i comuni limitrofi. La pista, di forma ellittica, ha una superficie di 840 m2 e la sua capienza massima stimata è di circa 400 persone.

A questa si va ad aggiungere un' area ristoro e un’are bar / pub accessibile dagli stessi pattinatori oltre ad un punto vendita e noleggio dedicato alle attività sui pattini. Inoltre, è prevista un’area adibita a spogliatoi e servizi e un distribuzione all’interno della piazza di aiuole e panchine.

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3.2 La

struttura

In questo capitolo sono elencati e descritti gli elementi che compongono la tensostruttura e la loro funzione affinché si abbia un corretto comportamento statico finale.

3.2.1 La membrana ibrida

Fig. 3.2: Membrana ibrida.

La membrana, in fibra di vetro con rivestimento in ptfe, copre una superficie di circa 10.660 m2. Al suo interno presenta degli elementi trasparenti evidenziati in blu nella Fig. 3.2. I giunti sono saldati ogni 3 m e date le notevoli dimensioni coperte è stata irrigidita con una rete di funi spiroidali aperte di diametro =16 mm.

3.2.2 I cavi principali

I cavi principali sono costituiti da funi spiroidali chiuse di diametro =72 mm e collegano i pali perimetrali ai piloni di sostegno attraverso degli elementi di collegamento. Queste sono molto rigide e hanno il compito fornire una prima pretensione alla membrana ibrida e di trasmettere i carichi provenienti dalla membrana stessa ai piloni di sostegno.

3.2.3 Le funi di bordo

Le funi di bordo a differenza di quelle principali sono molto flessibili e forniscono un pretensionamento alla membrana. Quest’ultimo, unito a quello proveniente dalle funi principali, garantisce una distribuzione quasi uniforme dello sforzo di trazione in entrambe

24 le direzioni del tessuto. Le funi di bordo sono del tipo spiroidale aperto di diametro  = 52 mm.

3.2.4 I piloni di sostegno

I piloni di sostegno sono 4 di cui uno centrale verticale alto 32 m e gli altri 3 di altezza 25 m posti nelle direzioni dei 3 punti sollevati e inclinati di 15° rispetto all’asse z. Sono realizzati con profili di acciaio laminati a caldo a sezione tubolare e incernierati alle estremità come mostrato in Fig. 3.3. Si è studiata una cerniera doppia per impedire che si trasmettano alla colonna sforzi flessionali e torsionali. I piloni sono poggiati su pulvini di forma troncoconica in cemento armato.

Fig. 3.3: Particolare cerniera doppia.

3.2.5 I dispositivi di collegamento

Per poter collegare in modo efficiente gli elementi sopra descritti sono stati studiati diversi dispositivi realizzando, il più possibile, soluzioni efficienti e al tempo stesso che semplifichino il montaggio.

In Fig. 3.4 è mostrato il collegamento tra la colonna centrale e l’anello di forma ellittica avente semiassi, rispettivamente, di 4 e 5 m. Questo è realizzato con un profilo a sezione tubolare quadrato di lato 40 cm. Il collegamento con la colonna avviene attraverso degli elementi anch’essi a sezione tubolare collegati attraverso perni, rondelle e coppiglie, in corrispondenza dei cavi principali. Sulla colonna sono state realizzate 2 cerniere torsionali per consentire la rotazione dell’anello lungo l’asse z. Infine all’anello sono collegate, attraverso perni, le funi principali in corrispondenza dei capicorda.

25 Fig. 3.4: Particolare collegamento colonna-anello ellittico.

Per quanto riguarda la connessione angolare tra membrana, cavi di bordo e funi principali è stato studiato un appropriato collegamento mostrato in Fig. 3.5.

Fig. 3.5: Particolare connessione angolare.

La piastra di raccordo è stata progettata inserendo delle cerniere cilindriche con asse verticale, in corrispondenza delle funi di bordo, e una cerniera cilindrica con asse orizzontale in corrispondenza delle funi principali. Questa soluzione consente un’ottima adattabilità alle diverse connessioni angolari presenti nel progetto. Anche in questo caso la connessione col palo perimetrale avviene attraverso una cerniera torsionale alla quale sono collegate le 3 funi stabilizzatrici.

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3.2.6 La torre vitrea

Fig. 3.6: Torre vitrea.

In Fig. 3.6 è mostrata la torre realizzata attraverso una struttura reticolare in acciaio e pannellatura in vetro. Geometricamente la torre, alta 30 m, è stata ottenuta dall’estrusione e dalla rotazione di 120° dell’ellisse superiore di semiassi 4 e 5 m, rispettivamente. Ogni pannello è il risultato della suddivisione in 16 parti uguali dell’ellisse di base e dell’altezza totale della torre.

3.2.7 L’elemento di chiusura

L’elemento di chiusura (Fig. 3.7) è realizzato con una struttura reticolare in acciaio e pannelli in vetro. La cupola ellissoidica è suddivisa in 4 meridiani e 16 paralleli confluenti nell’elemento circolare di collegamento con la colonna.

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3.2.8 La platea di base

La platea di base è costituita da una soletta piana in c.a. di spessore costante pari a 16 cm che si sviluppa su tutta la proiezione in pianta della costruzione.

La superficie superiore è rivestita da un manto di conglomerato bituminoso trasparente che costituisce il piano di calpestio per le diverse attività previste dal progetto.

Tale platea costituisce l’elemento di separazione tra la sovrastruttura e la sottostruttura (piattabande e pali di fondazione) descritta nel paragrafo successivo.

3.2.9 Il sistema fondazionale

Sono state adottate fondazioni su pali che rappresentano la soluzione migliore per contrastare le forze di trazione che arrivano al terreno da un’architettura a membrana.

Fig. 3.8: Piattabanda e pali di fondazione.

Per il collegamento dei pali di diametro di 40 cm è prevista una piattabanda in cemento armato di forma anulare a sezione rettangolare di dimensioni 60 cm 120 cm. Tale piattabanda è opportunamente irrigidita in corrispondenza della colonna perimetrale.

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3.3

La scelta dei materiali

Le membrane utilizzate nel campo dell'architettura sono generalmente costituite da un tessuto protetto da una resina polimerica, il cosiddetto tessuto rivestito. La loro resistenza è determinata principalmente dalla forza dei singoli fili di cui sono costituiti e può variare in relazione alle differenti tipologie di tessuti disponibili, quali i tessuti trama e ordito, i tessuti laminati, i fogli o film. I tessuti non rivestiti, impiegati all'esterno, a contatto con gli agenti atmosferici, hanno una breve vita, pertanto si procede nella gran parte delle applicazioni architettoniche all'impiego di tessuti rivestiti, nei quali gli strati di rivestimento, danno i seguenti benefici:

x proteggere i fili da fonti di danneggiamento di vario tipo (raggi UV, abrasione); x rendere impermeabile la membrana alla pioggia e all'umidità atmosferica; x stabilizzare la geometria del tessuto che sarebbe altrimenti instabile; x disporre di un materiale le cui linee di giunzione siano sigillabili a caldo.

Più precisamente una membrana consiste di differenti strati combinati con il tessuto che ne costituisce il materiale di base: uno strato di rivestimento primario, uno strato di rivestimento più esterno e infine un ultimo strato superficiale, risultato del cosiddetto processo di finissaggio, durante il quale il tessuto rivestito può subire anche trattamenti di sigillatura o di stampa (Fig. 4).

Fig. 4. : Composizione membrana

I due tessuti rivestiti più comunemente usati sono i tessuti in poliestere rivestiti in pvc (polivinilcloruro) e i tessuti in fibra di vetro rivestiti in ptfe (politetrafluoroetilene), utilizzati per il progetto in esame.

I fili di fibra di vetro sono disponibili in vari diametri di base: 3, 6, 9 e 11 micron. La forza dei filamenti è in massima parte proporzionale al diametro. La ragione può essere trovata

29 nella distribuzione delle tensioni all'interno dei filamenti. I fili di fibra di vetro sono prodotti per allungamento durante un processo di fusione. Gli strati esterni si raffreddano più velocemente della parte centrale e questo crea una condizione di tensione intrinseca. Sull'involucro esterno si producono sforzi di compressione nella direzione assiale e sforzi di trazione nel centro. Nel caso dei carichi di trazione le tensioni di carico si aggiungono alle tensioni intrinseche.

I filamenti di vetro sono sensibili agli effetti dell'umidità e al danneggiamento della zona esterna soggetta a uno stato di tensione. Per proteggerli occorre un rivestimento in ptfe o in silicone. La fibra di vetro è resistente alle alte temperature ed è quindi compatibile con le temperature di lavorazione del ptfe. È resistente anche ai raggi UV e alle intemperie, ha una bassa resistenza allo scorrimento e una buona stabilità dimensionale. Perde resistenza se soggetto a piegatura.

I tessuti di base sono generalmente realizzati inserendo fili di trama tra due strati di fili di ordito, a 90° rispetto ai fili di ordito, seguendo una costruzione disegnata dal numero di fili per cm e un modello di tessitura. I modelli di tessitura principali usati per le membrane sono la tessitura semplice oppure la tessitura 2-2 a cesto (o panama) come mostrato alla Fig. 4. . L'increspatura dei fili è minore nella tessitura panama.

Fig. 4. : Modelli di tessitura semplice e a panama.

Il peso di un tessuto può essere cambiato aumentando il numero o la densità lineare dei fili. La membrana utilizzata nel progetto ha una densità di 2,6 g/cm3.

Le membrane tessili sono realizzate immergendo il tessuto di fibra di vetro in un bagno di ptfe. Asciugatura e stiratura a 350°-380° C concludono il processo di rivestimento. Il ptfe è un polimero unico con proprietà notevoli, che non possono essere raggiunte dalla maggior parte degli altri polimeri. Queste proprietà straordinarie sono strettamente legate alla

30 struttura, caratterizzata da molecole con una lunga catena di ricorrenti unità di monomeri di tetrafluoretilene. Il composto carbonio-fluorina ha un'energia di dissociazione di 460kJ/Mol e rappresenta uno dei legami più forti in chimica organica. Dato che il limite superiore di temperatura di servizio continuo del ptfe è di +260°C, esso si può usare anche in zone climatiche calde. Il limite più basso della temperatura di servizio continua è di -200°C. Le variazioni di temperatura non hanno influenza sul tempo di vita. Non sono necessari plastificanti per migliorarne la flessibilità e la resistenza alle basse temperature. Il ptfe ha una conduttività termica bassa (0,25 - 0,50 W/Km) e buone proprietà isolanti. Il ptfe è resistente alle sostanze più corrosive e non è solubile nei solventi più comuni, come alcol, esteri, ketoni e benzina. Perciò le membrane di ptfe sono inerti rispetto a tutte le sostanze inquinanti ambientali, industriali e ai gas di scarico. Le molecole sono macroscopicamente non-polari. La loro energia di superficie è una delle più basse tra quelle note (circa 18,5 mN/m) e questo fa sì che il ptfe abbia una natura anti-adesiva. Grazie a questa caratteristica, le membrane di ptfe risultano autopulenti e idrorepellenti. Il ptfe è pertanto una protezione eccellente per il rinforzo tessile della membrana, dato che i filamenti di fibra di vetro perdono la loro resistenza alla trazione a contatto con l'umidità. Infine il ptfe è totalmente resistente ai raggi ultravioletti UV e alle radiazioni infrarosse IR. Le membrane di ptfe non mostrano nessun invecchiamento o infragilimento a causa di raggi UV e radiazioni IR. Diversamente dal pvc, una simile prestazione è raggiunta senza il bisogno di plastificanti, antiossidanti, UV-assorbitori, ecc., che potrebbero migrare verso la superficie.

Le funi.

Le funi utilizzate nel progetto sono principalmente di due tipi: spiroidali aperte e spiroidali chiuse. Le prime sono state usate per la rete di irrigidimento della membrana e per le funi di bordo, mentre quelle spiroidali chiuse per le funi principali.

Le funi spiroidali aperte sono costituite da fili di acciaio ad alta resistenza zincati a caldo. La fune è formata da strati di fili tondi avvolti ad elica attorno al nucleo centrale.

Quelle spiroidali chiuse, invece, sono formate da un nucleo interno di fili tondi e da uno o più strati esterni di fili sagomati a Z. La forma a Z dei fili è tale da avere un bloccaggio reciproco dei fili per ottenere una sezione compatta.

31 Le funi per impieghi strutturali sono prestirate in stabilimento, per eliminare la deformazione anelastica iniziale e per stabilizzare il modulo di elasticità. I cavi sono poi misurati e marcati sotto la forza specificata, per il taglio a misura e per il posizionamento di eventuali morsetti intermedi.

Acciai da costruzione.

L’acciaio utilizzato per la realizzazione delle colonne e degli elementi di collegamento è del tipo S355 come previsto dalle “Norme tecniche per le costruzioni” emanate col D.M. del 14 gennaio 2008.

In sede di progettazione si sono assunti i seguenti valori nominali delle proprietà del materiale:

x tensione caratteristica di snervamento fyk = 355 N/mm2 x tensione caratteristica di rottura ftk = 510 N/mm2

x modulo elastico E = 210.000 N/mm2

x modulo di elasticità trasversale G = E / [2 (1 + )] N/mm2 x coefficiente di Poisson  = 0,3

x coefficiente di espansione termica lineare a = 12 x 10-6 per °C-1

(per temperature fino a 100 °C)

x densità  = 7850 kg/m3

Cemento Armato.

Si è utilizzato per le fondazioni un calcestruzzo avente classe di resistenza C40 e barre di acciaio del tipo B450C come previsto dalla normativa.