Strutture leggere: il ruolo dell’aria compressa per l’efficienza e l’eleganza

Alcuni concetti alla base dell’approccio progettuale nelle strutture leggere, con esempi di strutture specializzate ad alta efficienza in campi specifici dell’ingegneria. Si riportano importanti realizzazioni di strutture pneumatiche con aspetti specifici, per un metodo sistemico alla smaterializzazione di realizzazioni all’avanguardia.

La capacità dell’arte progettuale di conferire leggerezza alle strutture percorre la strada dello sfruttamento virtuoso di materiali e tecniche innovative in grado di offrire nuovi mezzi per raggiungere traguardi ingegneristici ambiziosi, che realizzino rapporti tra forma, struttura e materia in grado di esprimersi in realtà vantaggiose ad alto valore innovativo. L’esigenza di una sempre più grande flessibilità, di reversibilità nell’utilizzo e di dinamicità progettuale ha portato alla definizione di sistemi strutturali arditi, che si manifesta in prestazioni delle strutture, come la grande capacità di coprire ampie luci con massa strutturale limitata, con alti carichi sopportabili in diverse configurazioni, elevata rigidezza, grande scomponibilità, rapida messa in opera e agile possibilità di spostare le strutture con montaggi e smontaggi agevoli. Tecnologia, conoscenza di strumenti progettuali ed evoluzione del pensiero ingegneristico hanno generato una dinamica di liberazione dalla pesantezza materiale della forma strutturale, in ogni campo. Questa smaterializzazione e alleggerimento trae un impulso forte dalle esigenze dell’affermazione di una logica industriale, ottenendo il felice risultato di un alleggerimento tanto materiale quanto percettivo, basandosi su una virtuosa e progressiva specializzazione progettuale, funzionale, tecnica ed espressiva delle parti che compongono la struttura nel suo insieme. Una nuova progettazione delle strutture, basata su fondamenti di temporaneità, reversibilità e dinamicità, si manifesta con il montaggio di componenti costruttivi definiti, dotati di una propria autonomia funzionale. Alla base di tale approccio si pone l’impiego di sistemi, che possono essere telai o pannellature, 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. La prefabbricazione, la coordinazione modulare e l’ottimizzazione di tempi e costi di trasporto e lavorazione sono l’arma vincente di queste strutture leggere. A queste doti fanno da contraltare le necessità di una elevata precisione costruttiva, una attenzione al dettaglio ed un rigido approccio compositivo. Rigore, precisione, controllo, sono alla base del progetto di numerose realtà della cultura tecnica della costruzione che utilizza materiali innovativi e approcci non convenzionali.

La specializzazione delle strutture

Strutture ad alta efficienza portano l’attività progettuale a specializzare materiali e componenti in funzione delle prestazioni richieste. In particolare, al fine di massimizzare le performance, per un pieno sfruttamento delle doti di resistenza del materiale, si tende a far lavorare il materiale il più possibile a sforzo normale. L’efficienza strutturale si accomuna alle doti del materiale e alla strategia del suo utilizzo e si basa sulla capacità di sfruttare al meglio il materiale impegnato dai carichi. Nello specifico, tale approccio di efficienza, spesso, si spinge a progettare il materiale stesso, i sottosistemi oltre che, naturalmente, la struttura nel suo insieme. Questa visione progettuale permette di caricare il materiale in modo uniforme e consente lo sfruttamento efficiente di ogni sua parte, al fine della sopportazione dei carichi. In questo modo, si opera evitando quelle tensioni che derivano da taglio, momento flettente e torcente, pensando ad un elemento strutturale assimilabile a un’asta. In tale logica le tensioni in gioco sono quelle normali, con una distribuzione quanto più uniforme possibile, in seno al materiale stesso, che costituisce gli elementi strutturali. Con l’obiettivo di sfruttare al meglio le capacità del materiale, progettisti in grado di esprimere attenzione umanistica agli esempi portati alla propria attenzione dalla vita quotidiana, partendo da un atteggiamento di saggia umiltà di fronte all’esempio rappresentato dall’immenso panorama della natura, hanno saputo cogliere suggerimenti e strategie progettuali ispirate a organismi viventi. A questo proposito, si pensi, ad esempio, alla formazione e alla crescita del sistema scheletrico e delle ossa, in particolare. Come accade per la struttura ossea, così anche nella crescita dei tronchi e dei rami di grandi alberi si ha una forte interazione tra i carichi e la capacità dell’organismo vivente di disporre gli elementi resistenti intimamente contenuti nella struttura del legno: le fibre resistenti sono disposte lungo le linee di forza dei carichi e i carichi sono trasferiti da una fibra all’altra attraverso la lignina che circonda le fibre come una matrice. Inoltre, le sezioni dei tronchi assumono una forma geometrica in modo tale da massimizzare il momento d’inerzia della sezione intorno all’asse di rotazione della sezione stessa, sotto l’azione della componente maggiore del momento flettente. Questa strategia di progettazione delle strutture è stata ingegneristicamente ripresa sia nel progettare le sezioni resistenti delle strutture, sia nella progettazione di materiali compositi. In questi ultimi, infatti, alle fibre si attribuiscono i carichi e alla matrice il compito di trasferimento dei carichi da una fibra all’altra, come anche il compito di mantenere le fibre in posizione per non cedere sotto i carichi, cadendo in condizioni di instabilità. Esempio esauriente di “specializzazione” della struttura naturale dei rami di un grande albero è rappresentato in Figura 1, dove si evidenzia come la crescita di un grande ramo sia adattata dalla crescita naturale per realizzare un momento di inerzia della sezione, opportunamente massimizzato per sopportare i carichi particolarmente gravosi a momento flettente. La specializzazione delle strutture è alla base del successo di realizzazioni ardite: in Figura 2 si vede uno schema di struttura alare con le diverse parti a cui sono attribuiti compiti specifici e specializzati: ai longheroni il compito di sopportare momento flettente e tagli, con le solette caricate principalmente a sforzo normale e l’anima a taglio, le centine hanno il compito di trasmettere il carico al longherone, dopo che il rivestimento ha loro trasmesso il carico aerodinamico generato dal fluido in moto intorno alla superficie aerodinamica. In Figura 3 e 4 si ha la fotografia di una struttura alare reale a due longheroni. La semiala è schematicamente una struttura assimilabile ad una trave incastrata sul piano di simmetria del velivolo. Alle solette è affidato principalmente il compito di essere sede di sforzo normale, le tensioni di taglio hanno principalmente sede nell’anima dei longheroni, il rivestimento raccoglie le azioni di pressione dal fluido, collabora con le solette ed è sede di taglio al fine di realizzare una sezione chiusa per sopportare, con efficienza, il momento torcente. Una struttura alare è studiata al fine di sfruttare al meglio il materiale sviluppando le diverse parti della struttura per sopportare specificatamente le sollecitazioni di cui è sede l’intera struttura complessiva.