Tensile structures and large span roofs

Tensile structures and large span membrane roofs for architecture

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LIGHTNESS AND AESTHETIC VALUE

The tensile structures are the solution to cover large areas of complex shape by minimizing the materials used. In tensile structures, materials are used efficiently (tension and compression only). Thanks to specific supports, on existing buildings or through cable-stayed poles, it is possible to tension a membrane which, due to the “double curved” shape, will support external loads such as wind and snow and allows to cover large spans at very cmpetitive price compared to standard building technology, an iconic aesthetic result and a reduced environmental impact. Maco Technology is  specialized in the design and construction of tensile structures in PVC coated polyester and/or PTFE coated fiberglass membranes, depending on the required performance and lifespan expected. In this guide we talk about:

  • What are tensile structures?
  • Differences between tensile structure and marquee.
  • Typology of tensile structures
  • Application of tensile structures
  • Tensile structures: the advantages
  • The materials of the tensile structures
  • The details of the tensile structures
  • The assembly of the tensile structures
  • The legislation

What are tensile structures?

Definition

Tensile structures are made of elements design to absorbs only tension forces (membranes and cables). Pillars are usually hinged and therfore they works only in compression. For this reson, tensile structures are the most efficient building construction technology: they are effective and lightweight either form a structural and aesthetical point of view. For all these reasons, tensile structures are ideal to cover large span. On the other hand there are limitation of the shape: not all forms can be realized with tensile structures. Their shape is the result of the internal forces wich runs through their members, always in equilibrium.

Structural principle

Tensile structures are defined “form-resisting” o “form active” structures. If the form changes, the load bearing capacity changes too. To resiste external loads (wind and snow), membranes should have the typical double-curved configuration. Doble curved shape is the result of a form findg process which minize the fabric stresses starting from a given prestress level. The higher is the double curvature in the fabric, the better is for the efficiecy of the system which reduces internal forces. To learn more about how tensile structures works, please link to our blog.

Dfferences between tensile structures and marquees

Tensile structures: all membrane, minimum structure

When someone think at a tensile structure, the first image pops up in mind is a stretched fabric or cable net, supported by cable-stayed hinged pillars (masts)  which have the role to pre-stress the membrane and fix it to the foundations. In tensile structure nothing is useless or redundant: if fabric is damaged or a cable is disconnected, the form changes finding a new equilibrium of forces. The fabric is, in fact, either cover and structure of the roof at the same time. Tensile structure is by definition a form active structure: higher is the level of double curvature, lower are the stresses inside the members (fabric, cables, masts etc) and therefore at foundation. If you are interested we investigeted more deeply the differences beween tensile structures and marquees here in our blog.

Marquees: supporting rigid frame and membrane as cladding

Marquees have a very clear structural principle: they consist of steel of wooden frame based on pillars and pitched rafters (portals) connected one to each other. This structure system is designed to carry the the vertical loads (snow, wind) as it happens for standard structural construction system. The fabric is only laying on top of the supporting frame, acting as a cladding: the prestress level in the membrane is pretty low and the geometry of the fabric is manyl flat (no double curvature). The prestress in the fabric is there only fo avoid fluttering, while the loads are carried by the frame. Marquees, can therefore be considered as standard building in which the envelope (usually bricks or insulating panels) is a memrbane. In the unlikly event of a damage to the membrane, the structural stability of the roof is not affected at all and the geometry remains the same. Marquees are modular and designd to be assebled in different configuration with a certin leverl of flexibility. The same is not possible with tensile structure which are design to work as a whole.

Typologies of tensile structures

Le parti flessibili delle tensostrutture ossia le membrane e i cavi, si dispongono nello spazio seguendo il percorso delle forze che agiscono al loro interno. Per questa ragione queste strutture vengono anche definite “From-active”. I bordi e le connessioni puntuali di questi elementi, influenzano la forma finale che i cavi e le membrane potranno generare. Per questa ragione, le tensostrutture possono essere categorizzate a seconda delle tipologie di supporto e, di conseguenza, della loro forma. Nella seguente classificazione estratta da Seidel, M.(2009) Tensile Surface Structures: A Practical Guide to Cable and Membrane Construction, Ernst & Sohn, Berlin, si possono ritrovare tutte le tipologie di tensostrutture che, eventualmente giustapposte, affiancate o specchiate, danno vita alla maggior parte delle forme di tensostrutture possibili.

Come è noto, le tensostrutture hanno superfici “doppio curvate” ossia curve in due direzioni. Le forme delle tensostrutture si dividono in sinclastiche e anticlastiche a seconda della direzione delle doppie curvature delle superfici come mostrato nello schema a lato (Tratto da Seidel M. 2009). Si dicono sinclastiche le superfici con curvature nella stessa direzione mentre anticlastiche quelle con curvatura opposta.

Superfici anticlastiche a punti alti o bassi. Qui un esempio della prima categoria: struttura conica con tensionamento per punti.

Superfici anticlastiche supportate per punti con cavi di colmo o valle (ridge or valley): qui un esempio con cavo di colmo.

Superfici anticlastiche a punti alti e bassi tensionati per punti o per bordi: paraboloide iperbolico o hypar. Qui un esempio classico di struttura a punti multipli, alti e bassi.

Superfici anticlastiche supportate con bordi rigidi ad archi in diverse configurazioni.

Le possibilità geometriche con questa tipologia sono molto diversificate.

Qui un esempio con due archi paralleli e bordi lineari.

Qui un esempio ad archi paralleli ma bordi liberi.

Qui invece il classico esempio di struttura a 4 archi, la cosiddetta struttura a volta a crociera.

Qui una struttura composta da diversi archi di bordo e di supporto intermedio alla membrana.

Utilizzi delle tensostrutture

Coperture per circhi

L’origine storica delle tensostrutture in architettura risale alle tende usate come abitazione dalle popolazioni nomadi tra cui sono note le tende Yurta della Mongolia o i Teepee dell’America. In epoca più moderna, le prime grandi tensostrutture sono quelle utilizzate dalle compagnie circensi per allestire i loro spettacoli. L’evoluzione di queste coperture ha portato agli attuali “chapiteau” che possono raggiungere dimensioni davvero impressionanti: Il Cirque du Soleil per esempio usa strutture di oltre i 50 metri di diametro, con antenne da 25 metri e altezza delle cuspidi di 19 metri. Queste coperture sono tensionate da oltre 500 pilastri strallati perimetrali.

Coperture di stadi

Le tensostrutture raggiungono la loro massima espressione nelle coperture per stadi. In questi casi è necessario infatti coprire grandi luci al minor peso possibile al fine di non gravare sulle sottostrutture e sulle fondazioni. Inoltre, dovendo lasciare la visuale del campo da gioco libera da ogni ingombro, è necessario adottare un principio strutturale in grado di funzionare a sbalzo. E’ questo il caso del principio “spoked wheel” o ruota di bicicletta che consiste in un anello esterno compresso e un anello interno teso, collegati tra loro da cavi in trazione. Il risultato è una tensostruttura unica che abbraccia tutta l’arena coperta e che deve essere eretta in un colpo solo attraverso il cosiddetto “big lift”.

Coperture di camminamenti e atrii

Le coperture lineari, di luci importanti, a copertura di camminamenti per esempio in centri commerciali, aeroporti o impianti fieristici, possono essere coperte con tensostrutture che permettono un’ottima illuminazione diffusa, un impatto estetico molto forte e una appoggio sui corpi di fabbrica laterali relativamente “leggero” grazie ad una struttura portante puntuale. Per ottenere caratteristiche simili, con materiali traslucenti tradizionali quale il vetro sarebbe necessaria una sottostruttura portante in travature reticolari molto massiva il che pregiudicherebbe il risultato estetico generale.

 

 

Coperture di piazze

Grandi piazze possono essere coperte con tensostrutture di forme più o meno libere in modo da sposarsi con le preesistenze o le geometrie architettoniche più complesse. In questo caso la copertura diventa vero e proprio arredo urbano, iconico e ben distinguibile dal linguaggio tecnologico del sistema costruttivo che è manifestato e reso chiaramente leggibile. Difficilmente si potrebbe ottenere un risultato simile applicando sistemi costruttivi a travi e pilastri i quali necessiterebbero, per forza di cose, di una maglia geometrica ben definita e regolare.

I vantaggi delle tensostrutture

Vantaggi economici

Le tensostrutture utilizzano i materiali costruttivi nel modo più efficiente: cavi e membrane lavorano solo in trazione mentre la struttura portante è solitamente solo compressa. Questo permette di minimizzare l’utilizzo dei materiali. Inoltre, la leggerezza del sistema costruttivo e la sua flessibilità in fase di esercizio permette alle tensostrutture di non essere soggette alla normativa sismica il che comporterebbe un aumento delle sezioni portanti e, di conseguenza, di costo. Per grandi dimensioni, quindi, le tensostrutture sono sicuramente il sistema costruttivo più economico. Su progetti piccoli o di media taglia, invece, dipende dalle forme e dai materiali selezionati. Le tensostrutture in poliestere spalmato PVC possono essere molto competitive.

Qui può essere letto un approfondimento riguardo il costo delle membrane in poliestere spalmato PVC

Vantaggi strutturali

Le tensostrutture scaricano a terra, nella maggior parte dei casi, solo forze di trazione o compressione in modo puntale. Si dice spesso che la massa che le tensostrutture non hanno fuori terra, è quella che deve essere messa nelle fondazioni per permettere di mettere davvero in tensione le strutture come da progetto. Niente di più vero! La compressione è però facilmente assorbibile da fondazioni semplici. La trazione invece deve essere gestita attraverso ancore, tirafondi o plinti correttamente dimensionati. Quando le fondazioni diventano troppo invasive, la corretta progettazione permette la creazione di sistemi chiusi, come per esempio il spoked wheel usato per le coperture delle arene, che non scaricano “tiri” a terra. La mancanza di massa e la flessibilità degli elementi strutturali impiegati permette alle tensostrutture di andare, nella maggior parte dei casi, in deroga per quanto riguarda le normative sismiche. La tensostruttura potrà quindi oscillare e muoversi in caso di terremoto dissipando l’energia introdotta senza risultare danneggiata.

Vantaggi ambientali

La leggerezza delle tensostrutture va di pari passo con il minor impatto ambientale in termini di spreco di risorse e invasività al suolo. Inoltre, per definizione, le tensostrutture sono architetture assemblate a secco, totalmente smontabili e potenzialmente ricollocabili in altro luogo nel caso fosse necessario o venissero a cambiare le esigenze. E’ quindi intrinseco un pensiero orientato al riuso piuttosto che al solo riciclo, non sempre davvero possibile. Le tensostrutture sono quindi architetture flessibili in grado di essere modificate ed adattate nel tempo in caso ce ne fosse bisogno. E’ impossibile fare questo tipo di ragionamento con i sistemi di costruzione tradizionale che sono per definizione fissi e non più amovibili.

I materiali delle tensostrutture

Nel blog abbiamo una pagina dedicata alla descrizione dei principali materiali tessili impiegati nelle tensostrutture. In questa guida, invece, citiamo velocemente i due materiali più diffusi per questo tipo di applicazioni: il poliestere spalmato PVC e la fibra di vetro spalmata PTFE.

Membrane in fibra di poliestere spalmato PVC

E’ il materiale più diffuso, più versatile ed economico nel mondo delle membrane tessili per architettura. Si compone di una base in tessuto in fibra di poliestere a cui viene aggiunta una spalmatura di PVC contenente diversi additivi in grado di garantire la flessibilità del risultato finale, il suo colore, la resistenza ai funghi, ai raggi UV e alla fiamma. Questi materiali sono solitamente laccati superficialmente da uno strato trasparente in PVDF che aiuta a mantenere la pulizia della superficie e la durata nel tempo. Il range prestazionale delle membrane in poliestere spalmato PVC è enorme spaziando da materiali per piccole coperture con durate garantite di 5 anni fino a materiali altamente prestazionali garantiti 20 anni.

Tensostrutture in fibra di vetro spalmata in PTFE

Sono le membrane più performanti e durature con aspettative di vita oltre i 20 anni. La fibra di vetro, molto resistente e stabile alla trazione garantisce ottime prestazioni strutturali ad un peso leggero. La spalmatura in PTFE (teflon) assicura una durata di gran lunga superiore rispetto al PVC e una pulizia della membrana molto maggiore. Il limite principale di questo prodotto sta nel costo, di gran lunga più alto rispetto alle membrane in poliestere/PVC, nella velocità di confezionamento (molto più bassa rispetto al PVC) e nella impossibilità di piegare il materiale oltre un certo raggio in fase di trasporto in quanto la fibra di vetro potrebbe rompersi compromettendo le prestazioni meccaniche.

I dettagli delle tensostrutture

Le tensostrutture sono in tutto e per tutto un assemblaggio di dettagli. Ogni componente e progettato per resistere ad una determinata forza orientata in un certo modo. Ogni elemento si allinea in equilibro con tutti gli altri in una geometria che può essere una e solo quella. Per questa ragione i dettagli sono essi stessi le tensostrutture e, se ben sviluppati, fanno la differenza. Di seguito illustriamo velocemente due dettagli cruciali nelle tensostrutture: le piastre angolari e cavi di bordo.

Le piastre d’angolo

Le piastre d’angolo hanno al funzione di trasferire le forze che vengono dai pilastri strallati in modo uniforme sulla superficie della membrana. Le piastre devono potersi orientare secondo le forze liberamente e devono raggiungere l’equilibro tra le forze membranali che agiscono sul piano tangente alla membrana e le forze puntuali dei cavi di bordo che agiscono in asse con essi. Questo elemento è quindi cruciale per la buona riuscita della messa in tensione e deve essere geometricamente pensato per ogni singola membrana. La piastra si compone di 3 parti: il collegamento al pilastro solitamente tramite cerniera, il collegamento alla membrana tramite piattinatura e il collegamento ai cavi attraverso boccole correttamente orientate. E’ molto raro poter replicare le stesse piastre su membrane diverse se si vuole ottenere un risultato di qualità. per questa ragione, a livello di progettazione è necessario velocizzare la produzione di questi dettagli al fine di poterli realizzare in modo parametricamente. Qui un esempio di progettazione parametrica delle piastre di una tensostruttura.

I bordi delle membrane: cavi, piattinature e legature

I bordi delle membrane possono essere tensionati con cavi di bordo, attraverso piattinature ad elementi rigidi o attraverso legature sia a cavi o elementi rigidi. I bordi devono essere predisposti al fine di garantire la perfetta tenuta anche tenendo in considerazione eventuali scorrimenti, allungamenti del materiale in fase di montaggio ed esercizio. Una errata progettazione dei dettagli di bordo potrebbe risultare in difetti perimetrali e, nei casi peggiori, in rotture della membrana in caso di picchi di sforzi non previsti.

Nella maggior parte dei casi, la membrana ospita trefoli in acciaio inox all’interno di tasche appositamente rinforzate.

Il montaggio delle tensostrutture

Le tensostrutture devono la loro forma allo stato di pretensione introdotto nella membrana e nei cavi. Rispetto quindi a tutti i montaggi di architettura tradizionale in cui gli elementi vengono messi in posizione per geometria e rimangono in equilibrio per il loro peso proprio, nel caso delle tensostrutture gli oggetti vengono messi in posizione a seguito di un equilibrio di forze dato dagli degli elementi in gioco: cavi e membrane in tensione, pilastri in compressione. Il montaggio deve essere fatto da operatori esperti in quanto il risultato geometrico e strutturale è vincolato alla corretta introduzione dei carichi da progetto e al rispetto di fasi di montaggio che non possono essere invertite. Devono essere anche presenti in cantiere strumenti in grado di introdurre la tensione richiesta possibilmente misurandola. In alternativa, lo stato tensionale può essere previsto basandosi sulle deformazioni attese. Tutti gli elementi tesi, infatti, sono prodotti “compensati” ossia leggermente più piccoli: a seguito della tensione introdotta e a seguito dell’allungamento dei materiali fino al raggiungimento delle posizioni di progetto, si può ipotizzare che sia stata introdotta la corretta pretensione.

Gli elementi che compongono le tensostrutture sono principalmente incernierati tra loro e liberi di trovare la loro posizione a seguito del raggiungimento dell’equilibrio tensionale. Esistono però diversi se non infiniti equilibri possibili. Il corretto montaggio ha l’obbiettivo di raggiungere l’equilibrio di progetto attraverso strategie atte ad introdurre nelle membrane e nei cavi le tensioni attese. La strategia più semplice ed efficace è quella dell’utilizzo dei pilastri strallati di cui è possibile leggere un approfondimento qui e mostrato dalle immagini sopra e sotto. Nell’immagine in alto il sistema è schematizzato in piano e rappresenta la messa in tensione dei una trave di cavi attraverso l’inclinazione dei pilastri strallati.

Nell’immagine sotto, invece, è mostrata la procedura di montaggio di una classica tensostruttura a punti alti e bassi (hypar) in cui, con lo stesso procedimento vengono prima messi in posizione i punti alti e solo successivamente tensionali i punti bassi. L’ordine con cui queste fasi vengono fatte è fondamentale. Se infatti si procedesse prima alla messa in posizione dei vertici bassi e solo dopo di quelli alti, si otterrebbe una forma diversa, sicuramente più “piatta” e non conforme al progetto. Per approfondire questa tematica rimandiamo all’articolo del nostro blog: L’importanza del corretto montaggio nelle tensostrutture.

La normativa sulle tensostrutture

Al momento della stesura di questa pagina (gennaio 2021), non esiste un Eurocodice sulle tensostrutture che normi queste costruzioni in modo completo e nemmeno una normativa nazionale specifica. In assenza di uno specifico Eurocodice e di una apposita normativa nazionale, il settore delle tensostrutture e delle tendostrutture è prevalentemente regolato dalle normative per strutture temporanee per via del carattere temporaneo che, in genere, caratterizza questo tipo di coperture.

La normativa riguardante strutture temporanee

La norma UNI EN 13782:2015 “Strutture temporanee – Tende – Sicurezza”, che ha recentemente sostituito la norma UNI 10949:2001 “Sicurezza delle attrezzature per fiere e parchi di divertimento – Tende, strutture tessili temporanee e/o itineranti – Progettazione, costruzione, montaggio e manutenzione”, specifica i requisiti di sicurezza relativi alla progettazione, al calcolo, alla costruzione, all’installazione, alla manutenzione di tende installate in maniera itinerante, temporanea con superficie coperta maggiore di 50 m2. La norma si applica anche a tende piccole multiple, che non sono normalmente trattate dalla presente norma, che sono installate vicine e che insieme coprono una superficie maggiore di 50 m2. In aggiunta ci si può riferire alla norma UNI EN 15619:2014 “Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Sicurezza delle strutture temporanee (tendoni) – Specifiche per supporti tessili rivestiti destinati a tendoni e strutture analoghe”. La norma specifica le caratteristiche, i requisiti ed i metodi di prova per i supporti tessili rivestiti destinati a tendoni mobili e temporanei per strutture locali o edifici aperti, per esempio mercati, hangar, sale-tenda, stand, con esclusione delle tende per campeggio, e per strutture analoghe.

Il tentativo di norma per le tensostrutture

Per tecnici e progettisti, il progetto di norma UNI U50.0.299.0 “Tende-strutture, tenso-strutture, presso-strutture. Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo, l’uso e la manutenzione” rappresenta tutt’ora un valido riferimento trattando i requisiti di resistenza, servizio, sicurezza e durata delle tende-strutture, tenso-strutture e presso-strutture. Inoltre, fornisce indicazioni in merito alla qualità dei materiali da costruzione e dei prodotti che si utilizzano ed il livello di accuratezza delle operazioni di cantiere necessarie per rispettare le ipotesi definite nelle regole di progettazione. Il progetto di norma non tratta le strutture con superficie coperta inferiore a 40 mq come ombrelloni da mercato, ombrelloni da spiaggia, tende da campeggio, tende solari e coperture montate giornalmente, ecc.

Ultime Realizzazioni:

Dal blog delle Tensostrutture:

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