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Tensostruttura

Novembre 28, 2020

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Una tensostruttura è una costruzione composta da elementi che trasmettono esclusivamente forze di tensione, senza alcun coinvolgimento di compressione o flessione.

Il termine trazione non deve essere confuso con tensegrità, che è una forma strutturale che impiega sia elementi in trazione che in compressione. Le tensostrutture rappresentano il tipo più comune di strutture a guscio sottile.

Il termine tensegrità è stato coniato dall’ingegnere Richard Buckminster Fuller, per descrivere un insieme di «tensione» e integrità (o coesione). Si tratta di una proprietà attribuita a oggetti i cui componenti utilizzano combinazioni di trazione e compressione per garantire stabilità e resistenza.

La maggior parte delle tensostrutture è supportata da elementi che comportano anche compressione o flessione, come pali (come nel caso di The O2, ex Millennium Dome), anelli di compressione o travi.

Una struttura a membrana in tensione è frequentemente utilizzata come tetto, poiché consente di coprire ampie distanze in modo economico e attraente. Le strutture a membrana di tensione possono anche essere impiegate come edifici completi, con applicazioni comuni che includono impianti sportivi, edifici di deposito e stoccaggio, e sedi espositive.

Questa tipologia di costruzione è stata analizzata e diffusa in modo più rigoroso nelle grandi strutture solo alla fine del XX secolo. Le tensostrutture sono state storicamente utilizzate nelle tende, dove i tiranti e i pali forniscono pretensionamento al tessuto, permettendogli di resistere ai carichi.

L’ingegnere russo Vladimir Shukhov è stato tra i primi a sviluppare calcoli pratici sulle sollecitazioni e deformazioni di tensostrutture, gusci e membrane. Nel 1896, Shukhov progettò otto padiglioni espositivi per tensostrutture e strutture a guscio sottile per la Fiera di Nizhny Novgorod, coprendo un’area di 27.000 metri quadrati. Un esempio più recente di uso su larga scala di una tensostruttura rivestita di membrana è il Sidney Myer Music Bowl, costruito nel 1958.

Antonio Gaudí ha applicato un concetto opposto, creando una struttura di sola compressione per la Chiesa di Colonia Güell. Ha progettato un modello di trazione sospesa per calcolare le forze di compressione e determinare sperimentalmente le geometrie delle colonne e delle volte.

L’Olympiastadion di Monaco fa ampio uso di tensostrutture nei suoi tetti. Il concetto è stato successivamente sostenuto dall’architetto e ingegnere tedesco Frei Otto, il cui primo utilizzo di questa idea si è concretizzato nella costruzione del padiglione della Germania all’Expo 67 di Montreal. Otto utilizzò successivamente l’idea per il tetto dello Stadio Olimpico per le Olimpiadi estive del 1972 a Monaco.

Dagli anni ’60, le tensostrutture sono state promosse da designer e ingegneri come Ove Arup, Buro Happold, Walter Bird di Birdair Inc., Frei Otto, Mahmoud Bodo Rasch, Eero Saarinen, Horst Berger, Matthew Nowicki, Jörg Schlaich, il duo Nicholas Goldsmith e Todd Dalland di FTL Design & Engineering Studio, e David Geiger.

Il progresso tecnologico ha contribuito a incrementare la popolarità delle strutture con tetto in tessuto. Il ridotto peso dei materiali rende la costruzione più semplice ed economica rispetto ai progetti tradizionali, soprattutto quando è necessario coprire ampi spazi aperti.

Tipi di strutture con membri di tensione significativi

Strutture lineari:

Ponti sospesi
Cavi drappeggiati
Strallato, travi o capriate
Tralicci per cavi
Cavi tesi diritti

Strutture tridimensionali:

Ruota di bicicletta (può essere utilizzata come tetto in orientamento orizzontale)
Tralicci 3D
Strutture di tensegrità

Strutture sottoposte a sollecitazioni superficiali:

Membrane precompresse
Membrane sollecitate pneumaticamente
Gridshell
Struttura in tessuto

Strutture di cavi e membrane

Il primo tetto al mondo con membrana in acciaio e guscio in acciaio a traliccio è stato realizzato nella Rotonda di Shukhov, Russia, nel 1895.

Materiali per Membrane

I materiali comuni per le strutture in tessuto a doppia curvatura sono fibra di vetro rivestita in PTFE e poliestere rivestito in PVC. Questi materiali sono intrecciati con resistenza differente nelle direzioni di ordito e trama. Le fibre di ordito, quelle originariamente diritte, sopportano carichi maggiori rispetto alle fibre di trama o di riempimento.

Altri materiali impiegati includono film di ETFE (spesso utilizzato sotto forma di cuscini gonfiabili), che offrono ottime proprietà di isolamento e un effetto estetico, come nel caso dell’Allianz Arena di Monaco.

Durante il giorno, la traslucenza delle membrane in tessuto offre spazi illuminati con luce naturale, mentre di notte l’illuminazione artificiale può essere usata per creare una luminescenza esterna.

Cavi

I cavi strutturali possono essere realizzati in acciaio dolce, acciaio ad alta resistenza (acciaio al carbonio trafilato), acciaio inossidabile, fibra di poliestere o fibra aramidica. Questi cavi sono composti da piccoli trefoli attorcigliati o legati insieme per formare un cavo molto più grande.

Le proprietà di questi trefoli e materiali sono indicate nella tabella che segue, che mostra i moduli di Young (E) e le resistenze a trazione ultima (UTS):

Materiale	E (GPa)	UTS (MPa)
Barra d’acciaio	210	400–800
Filo d’acciaio	170	1550–1770
Fune	112	1550–1770
Fibra poliestere	7.5	910
Fibra aramidica	112	2800

Inoltre, il comportamento della tensione in un cavo caricato uniformemente che si estende tra due supporti può essere descritto dalla seguente formula:

$\sqrt{H^2 + V^2}$

Dove T è la tensione nel cavo, H è la reazione orizzontale e V è la reazione verticale. La tensione può essere calcolata in base alle reazioni orizzontale e verticale nel cavo, come mostrato nel grafico sottostante.

Forme Strutturali

Le strutture a aria sono una forma particolare di tensostruttura, in cui l’involucro in tessuto è supportato solo da aria pressurizzata.

La maggior parte delle strutture in tessuto acquisisce la sua resistenza dalla forma doppiamente curva. Costringendo il tessuto a questa curvatura, si ottiene una rigidità sufficiente per resistere ai carichi (come vento e neve).

Ricerca di moduli: La progettazione di strutture in tessuto doppiamente curvato richiedeva, prima degli anni ’90, modelli in scala per studiare il comportamento e ottenere una forma adeguata. Modelli di pellicola di sapone, o di calze, venivano utilizzati per imitare il comportamento dei tessuti strutturali, in quanto si comportano in modo simile alle membrane in tensione.

Paraboloide Iperbolico

La forma più semplice a doppia curvatura è la forma a sella, che può essere un paraboloide iperbolico. Questa superficie è utilizzata in strutture a guscio leggero, come le strutture iperboloidi.

Pretensione

La pretensione è la tensione indotta artificialmente negli elementi strutturali per garantire che restino rigidi sotto carico. Un esempio comune di pretensione si trova negli scaffali sospesi tramite fili tesi.

Strutture notevoli

Rotonda di Shukhov, Russia (1896)
Link a Wikipedia
Canada Place, Vancouver, British Columbia (per Expo ’86)
Link al progetto di Steel Project
Yoyogi National Gymnasium, Tokyo, Giappone (1964)
Link ad ArchDaily
Ingalls Rink, Università di Yale, USA (1958)
Link ad ArchDaily
Khan Shatyr Entertainment Center, Nur-Sultan, Kazakistan (2010)
Link al progetto su Foster + Partners
Tropicana Field, San Pietroburgo, Florida (1990)
Link a Wikipedia
Olympiapark, Monaco di Baviera, Germania (1972)
Link a ArchDaily
Sidney Myer Music Bowl, Melbourne (1958)
Link a Wikipedia
The O2 (ex Millennium Dome), Londra (2000)
Link a Wikipedia
Aeroporto internazionale di Denver, USA (1995)
Link al progetto di Birdair
Dorton Arena, Raleigh, USA (1952)
Link su ASCE
Georgia Dome, Atlanta, USA (1992-2017)
Link su Tensinet
Grantley Adams International Airport, Christ Church, Barbados
Link a Wikipedia
Pengrowth Saddledome, Calgary, Canada
Link a Wikipedia
Scandinavium, Göteborg, Svezia
Link a Wikipedia
Museo della difesa costiera, Hong Kong
Link a Wikipedia
Stazione ferroviaria centrale, Sofia, Bulgaria
Link a Wikipedia
Redbird Arena, Illinois State University, Normal, Illinois
Link a Wikipedia
Ombrelloni retrattili, Al-Masjid an-Nabawi, Medina, Arabia Saudita
Link a Wikipedia

Galleria di Famosi Esempi di Tensostrutture

Le strutture tetto tensostrutturali di Frei Otto nel Olympiapark, Monaco
Link a ArchDaily
The Millennium Dome (ora The O2), Londra, di Buro Happold e Richard Rogers
Link a Wikipedia
Terminal dell’aeroporto internazionale di Denver
Link al progetto di Birdair
La torre di raffreddamento a secco con rete di cavi THTR-300, struttura iperboloide di Schlaich Bergermann & Partner
Link su Tensinet
Torre Killesberg, Stoccarda, di Schlaich Bergermann Partner
Link a Schlaich Bergermann Partner
Georgia Dome, Atlanta
Link su Tensinet
Grandi ombrelloni retrattili davanti alla Sacra Moschea del Profeta a Medina, di SL Rasch GmbH Strutture speciali e leggere
Link al progetto di SL Rasch GmbH
Rendering diurno al computer del Khan Shatyr Entertainment Center, la tensostruttura più alta del mondo
Link a Foster + Partners

Numeri di Classificazione

L’Istituto delle Specifiche di Costruzione (CSI) e le Specifiche di Costruzione Canada (CSC), edizione MasterFormat 2018, divisione 05 e 13:

05 16 00 – Cablaggio strutturale
05 19 00 – Assiemi di tiranti e tralicci per cavi
13 31 00 – Strutture in tessuto
13 31 23 – Strutture in tessuto in tensione
13 31 33 – Strutture in tessuto incorniciate

CSI / CSC MasterFormat, edizione 1995:

13120 – Strutture supportate da cavi
13120 – Strutture in tessuto

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