Come funzionano le tensostrutture

Come funzionano le tensostrutture

Le strutture tradizionali, per esempio in calcestruzzo, accaio, legno o in muratura funzionano strutturalmente attraverso due principi: il peso proprio della struttura e la rigidità dei materiali impiegati. Grazie a questi due principi, le strutture sono in grado di reggere il proprio peso e quello dei carichi esterni (vento e neve).

Quando si parla di gravità si intendono muri o pilastri strutturali il cui baricentro  è studiato al fine di essere in equilibrio di per sè e a seguito dell’azione esterna dei carichi neve e vento. Per gli archi, il principio è simile: nel caso siano a tutto sesto, i conci trovano l’equilibrio strutturale al momento della posa della chiave di volta. Nel caso di opere più ardite con archi molto acuti, per esempio nell’architettura gotica, la massa mancate necessaria a rendere equilibrati gli archi viene risolta con la costruzione di guglie la cui prima funzione, oltre all’estetica, è quella di fungere da zavorra e direzionare le forze in modo controllato all’interno dei pilastri.

Parlando di rigidità si intende invece la proprietà tipica dei materiali di resistere a sforzi di compressione, trazione e flessione: si pensi ai solai in legno per le abitazioni o alle parti portanti per ponti o altri edifici di grande luce. Le connessioni tra le varie parti strutturali (pilastri, muri, solaio, tetto) sono anch’essi realizzati per essere rigidi.

Nelle tensostrutture, al contrario, tutto questo viene meno. Per definizione il peso delle tensostrutture è ridotto al massimo (da 2 kg al mq per le strutture pressostatiche a 10/15 tensostrutture a carico neve) e di conseguenza i materiali impiegati sono spesso flessibili o molto snelli. Questi materiali non sono quindi in grado di assorbire forze di compressione o flessione ma possono sopportare solo trazione.

Per queste ragioni, al fine di raggiungere un equilibrio strutturale, tutti i componenti devono essere disposti in precise forme geometriche (forma della membrana, dei pali e dei cavi di tiraggio) e sono soggetti ad uno sforzo di pretensione tanto più alto quanto sono le forze a cui essi devono resistere.

La linea del bucato

Per capire in modo più semplice il principio strutturale che sta dietro alle tensostrutture si più partire dell’esempio dei panni stesi su un filo. Immaginandoci un cavo teso tra due alberi (disegni dell’Arch. Vincenzo Pinto) ci si può aspettare una curvatura dello stesso verso il basso (freccia) dovuta al peso proprio del cavo e al peso dei panni appesi. Maggiore è la forza nel cavo (che deriva da come è stato tirato al momento dell’istallazione) minore è la freccia. Se aggiungiamo in cappotto al centro dei panni, la forma del cavo cambierà presentando un piunto molto basso al centro e due linee piuttosto diritte verso i due apploggi. Il tutto è in grando di tornare alla sua forma originale una volta che il cappotto viene tolto.

Fin tanto che non c’è vento il nostro cavo sarà stabile in un equilibrio pressochè statico.

In caso di vento, però, la struttura non risulta in grado di resistere in alcun modo alle forze agenti dall’esterno e quindi la configurazione prenderà forme diverse e imprevedibili.

Esistono tanti modi per migliorare la stabilità della fune. In primis si può tentare di lavorare per gravità ossia aggiungendo pesi che zavorrino la nostra configurazione. Presto però ci si accordge che questo è un sistema poco efficiente che ci costringerebbe ad avere enormi rami e fondazioni. 

In alternativa si possono posizionare degli elementi rigidi verticali a collegamento di un secondo cavo, con curvatura inversa rispetto al primo. Questa forma terrà il cavo in posizione ma non impedirà che possa ruotare. Per questa ragione è necessario inserire altri due cavi di stabilizzazione agganciati al tronco dell’albero.

La soluzione migliore è quella di inserire un cavo con curvatura opposta e collegarlo al precedente tramite cavi, anch’essi quindi pretesi. E’ questa la configurazione più efficiente e semplice anche dal punto realizzativo.

Se ripetiamo lo stesso ragionamento per un sistema tridimensionale al fine di creare una copertura, se di tendono due cavi incrociati come in ficura si ottiene un punto che è sempre in equilibrio, al centro. Esso è il punto di intersezione dei due cavi.

Per ottenere un numero maggiore di punti stabili, si possono aggiungere altri cavi ancorati a terra. Ogni nuovo cavo farà cambiare forma al cavo iniziale, trovando così una nuova posizione di equilibrio.

Volendo irrigidire il sistema ulteriormente si può passare ad una struttura avente un cavo di bordo che collega i punti alti e quelli bassi. Inserendo anche linee parallele a quelle originarie, in entrambe le direzioni, ecco che si forma una maglia biridezionale di forma particolare e molto simile a quella che otterremmo tensionando una membrana elastica.

Il risultato è presentato nella immagine a lato: una rete a due direzioni con la principale caratteristica che ogni punto di intersezione dei cavi è creato da due funi che tirano verso l’alto e due che tirano verso il basso. E’ proprio questa particolare geomatria che, nel caso di superfici è definita “doppio curvata” che rende la struttura molto stabile e particolamente efficiente a resistere ai carichi esterni. Ovviamente, maggiori sono le tensioni introdotte nei cavi ( quindi nella membrana) maggiore è la rigidezza del sistema tensostrutturale che ne risulta.

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