L’aria compressa per costruzioni eleganti ed efficienti

Le strutture pneumatiche sono costruzioni leggere rispetto ai carichi sopportati: ecco alcune applicazioni.

Il raggiungimento di traguardi ambiziosi, che realizzino rapporti tra forma, struttura e materia in grado di esprimersi in realtà di alto valore ingegneristico, dà la vita a progetti e realtà del genio umano di massima efficienza e bellezza. Questo è ricorrente e reale in branche dell’ingegneria, e non solo, come l’aeronautica, l’aerospazio, la robotica, la genetica, ma anche in ambito commerciale e umanistico come il marketing e la filosofia.

In ingegneria strutturale, l’esigenza per le strutture di una sempre più alta flessibilità spaziale, di una grande reversibilità nell’utilizzo, di una dinamicità progettuale hanno portato alla definizione di sistemi strutturali arditi capaci di raggiungere punte di efficienza strutturale, che si manifestano in prestazioni delle strutture come la grande capacità di coprire luci ampie, massa limitata, alti carichi sopportabili in diverse configurazioni, elevata rigidezza, grande flessibilità e scomponibilità, rapida messa in opera. Queste prestazioni estreme implicano necessità di elevata precisione costruttiva, attenzione al dettaglio e rigido approccio compositivo. Rigore, precisione, controllo sono alla base del progetto di numerose realtà della cultura tecnica della costruzione che utilizza materiali innovativi. La dinamica della liberazione dalla pesantezza materiale della forma strutturale è sempre più efficace, grazie a nuove tecnologie, conoscenza di strumenti progettuali ed evoluzione del pensiero: la smaterializzazione e l’alleggerimento ricevono un forte impulso evolutivo con la rivoluzione industriale, raggiungendo il felice risultato di un alleggerimento tanto materiale quanto percettivo. Questo si realizza con una virtuosa e progressiva specializzazione del progetto, dell’attenzione alla funzionalità, delle tecniche espressive delle parti che compongono la struttura nel suo insieme. L’efficienza strutturale si accomuna e si basa sulla capacità di utilizzare al meglio il materiale impegnato per sopportare i carichi. In particolare, tale approccio di efficienza spesso si spinge a progettare il materiale stesso, i sottosistemi oltre che, naturalmente, la struttura nella sua completezza. 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 ad una trave. In tale logica le tensioni in gioco sono quelle normali, in particolare di trazione, 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 realtà naturali sono portate a sopportare carichi, ricercando il massimo della efficienza.

Un esempio di struttura pressurizzata si ha in Figura 1, dove un contenitore pressurizzato impilabile risulta adatto a sopportare carichi longitudinali elevati; tali carichi sono ben sopportati finché non si raggiunge un valore nullo di tensione normale nella parete, che risulta precaricata dalla pressione interna del fluido.

Dalla natura si ha esempio magistrale di progettazione di strutture efficienti. Tra innumerevoli esempi si può citare la struttura ossea dello scheletro come, ad esempio la struttura degli arti (Figura 2).

In Figura 3 si vede un altro esempio di specializzazione di strutture naturali che si adattano alla presenza di carichi importanti. Dall’osservazione dei rami di un antico Ficus, dell’età di più di cento anni, un occhio attento sa cogliere la specializzazione della struttura: il tronco solido e robusto si sviluppa verso l’alto ramificandosi in tratti via via più rastremati e leggeri verso gli ultimi bracci dei rami che portano le foglie più alte. Osservando il tronco alla base si vede come esso si ramifichi estesamente al fine di raggiungere una forma capace di garantire stabilità anche in condizioni di carichi trasversali, come quelli che scaturiscono dall’azione del vento. Inoltre, le sezioni trasversali dei rami sono particolarmente sviluppate per sopportare il carico importante del peso, presentando una sezione trasversale massimizzando il momento d’inerzia opportuno.

La prefabbricazione, il coordinamento modulare, l’ottimizzazione di tempi e costi di trasporto e montaggio sono l’arma vincente delle strutture leggere. Queste caratteristiche pregevoli implicano, però, necessità di elevata precisione costruttiva, attenzione al dettaglio e rigido approccio compositivo. Rigore, precisione, controllo sono alla base del progetto di numerose realtà della cultura tecnica della costruzione che utilizza materiali innovativi. L’efficienza strutturale si accomuna e si basa sulla capacità di utilizzare al meglio il materiale impegnato per sopportare i carichi. In particolare, tale approccio di efficienza spesso si spinge a progettare il materiale stesso, i sottosistemi oltre che, naturalmente, la struttura nella sua completezza. 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 ad 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 realtà naturali sono portate a sopportare carichi, ricercando il massimo della efficienza.

L’aria compressa per strutture leggere ed efficienti

Per strutture pneumatiche si intendono costruzioni leggere rispetto ai carichi sopportati, costituite da membrane impermeabili, sottili e flessibili soggette a differenza di pressione tra ambiente interno alla membrana ed esterno. Questa differenza di pressione, agente su opportune forme e geometrie, è responsabile anche della forma della costruzione nel suo insieme o in parti soggette a carichi. La sovrappressione interna opera un tensionamento della membrana realizzando, in questo modo, una condizione essenziale per l’efficienza strutturale della membrana stessa che sarà, in ogni condizione di carico, sempre in trazione. Nel caso che i volumi all’interno della membrana siano abitabili, il valore di sovrappressione non deve raggiungere valori al di fuori della fluttuazione barometrica, assicurando, in questo modo, un habitat accettabile. Se, invece, il volume contenuto nella membrana ha ruolo strutturale e non abitativo, il valore di sovrappressione può essere anche molto elevato. Il primo caso è quello, ad esempio, di ambienti di installazioni sportive, come campi da tennis, campi di calcio coperti, piscine coperte; il secondo caso è quello, ad esempio, di serbatoi pressurizzati. Questo scenario è, ad esempio, quello del serbatoio esterno dello Shuttle detto “expendable external tank” (ET), destinato a essere sacrificato durante il lancio (Figura 4). Questo serbatoio contiene idrogeno e ossigeno liquidi per l’alimentazione dei due razzi “solid rocket boosters” (SRBs) che forniscono l’83% della spinta al decollo e sono in grado, ciascuno, di fornire 14,67 MN. Questa spinta equivale a circa 1500 tonnellate; questa poderosa spinta fa di questa soluzione il più grande e il più potente razzo a propellente solido o liquido in assoluto e il più potente propulsore a razzo al mondo. Ogni SRBs produce una spinta che è quasi doppia di quella del propulsore F-1 utilizzato nel razzo Saturn V, usato dalla “National Aeronautics and Space Administration” (NASA) nei programmi Apollo e Skylab. Il propulsore F-1 fu sviluppato sotto la direzione di Wernher von Braun ed Arthur Rudolph.