L’aria compressa per l’efficienza di strutture leggere

Figura 2 – Membrana messa in trazione applicando forze esterne realizzando tiranti e puntoni (a); schema di una membrana che è sede di sforzo di trazione derivante da un carico di pressione agente dall’interno del volume definito dalla membrana (b).

Le strutture pneumatiche rappresentano una particolare famiglia di costruzioni a membrana; 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.

L’efficienza strutturale si accomuna e si basa sulla capacità di utilizzare al meglio il materiale impegnato per sopportare i carichi. In particolare, spesso il progettista si spinge a sviluppare il materiale stesso, i sottosistemi oltre che, naturalmente, la struttura nel suo insieme. 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 a una trave. In tale logica le tensioni in gioco sono quelle normali, con una distribuzione quanto più uniforme possibile in seno al materiale stesso costituivo gli elementi strutturali. Questo tipo di strategia di efficienza strutturale trova importanti riscontri in ambito naturale, dove strutture di organismi e altre realtà sono portate a sopportare carichi ricercando il massimo dell’efficienza. L’attenzione all’ambiente da parte di progettisti attenti, capaci di un atteggiamento vigile di fronte all’esempio rappresentato dall’immenso panorama naturale, ha saputo cogliere suggerimenti e strategie ingegneristiche ispirate agli organismi terrestri. Si pensi, ad esempio, alla formazione e alla crescita delle ossa e della struttura del sistema scheletrico. Le cellule che formano l’osso sono di diversi tipi e continuamente in evoluzione, lungo tutto l’arco della vita: gli osteoclasti demoliscono e smaltiscono piccole parti ossee giunte alla fine del ciclo vitale o danneggiate e altre cellule, gli osteoblasti, provvedono a produrre nuova matrice proteica dove sia necessario costruire o ricostruire gli osteociti che, con i loro filamenti, sono in grado di rilevare l’entità delle deformazioni dell’osso in risposta ai carichi che nascono dalla contrazione muscolare e dalla forza di gravità. In questo modo essi sono in grado di trasmettere le informazioni alle altre cellule ossee per la specializzazione della evoluzione dell’osso in funzione dei carichi. Il ruolo degli osteociti è essenziale per il modellamento e il rimodellamento osseo.

Strutture in parete sottile

Gli sforzi di trazione sono protagonisti nel meccanismo di funzionamento di strutture in parete sottile in particolare, se definibili come strutture a membrana; per membrana strutturale si può definire un elemento a guscio, sia a semplice sia a doppia curvatura, o piastra, se piano, il cui spessore è molto piccolo rispetto agli spostamenti ottenibili, pur rimanendo in campo elastico. Un esempio di struttura a membrana, in cui gli sforzi di trazione sono protagonisti dell’equilibrio, è la bolla di sapone. Una membrana può essere soggetta ad un carico con una componente perpendicolare alla propria superficie. Questo carico sarà equilibrato dall’azione delle tensioni di trazione, che hanno sede nella membrana stessa, in presenza di una geometria tridimensionale della membrana stessa, che dipende anche da vincoli e carichi esterni. Secondo questo principio di funzionamento operano anche le reti, che non hanno una superficie continua, ma sono costituite da funi o fili. Per una membrana, in analogia, si può pensare ad una rete che sia costituita da funi incrociate. In ogni caso, sotto qualsiasi condizione di carico, la membrana deve essere mantenuta in una condizione di trazione. Nella membrana saranno presenti anche sforzi tangenziali, oltre agli sforzi di trazione, quando sarà presente una torsione intorno ad assi perpendicolari alla membrana stessa. Il meccanismo funicolare è quello che si manifesta in presenza di trazione e taglio nella struttura di superficie rappresentata dalla membrana. Questo a condizione che non si verifichi una situazione in cui gli sforzi diventino di compressione, che si denunciano con evidenti comportamenti della membrana che genera, in questo caso, delle pieghe. Schemi di strutture a membrana sono rappresentati in Figura 2. In Figura 2a si vede una membrana messa in trazione applicando forze esterne con l’utilizzo di tiranti e puntoni; mentre in Figura 2b si ha lo schema di una membrana che è sede di sforzo di trazione per l’applicazione di un carico di pressione agente dall’interno del volume delimitato dalla membrana.

 

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