Testo di Sandro Bavero e Francesca Simonelli
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L'acciaio, come è noto, viene impiegato come materiale nelle costruzioni fin dal secolo scorso. Oggi, la qualità dei prodotti e gli strumenti avanzati di calcolo, con l'ausilio del computer, offrono ai progettisti la possibilità di realizzare nuove forme nello spazio inventando nuove espressioni architettoniche. L'argomento è quanto mai ampio ed affascinante. L'intento è qui di fornire una sintesi del settore, che possa essere di base per conoscenze più ampie. La progettazione di costruzioni in acciaio si identifica nella scelta più razionale delle tipologia costruttiva, per rispondere alle esigenze architettoniche, di resistenza strutturale, montaggio e manutenzione. La scelta di lasciare 'a vista' gli elementi in acciaio componenti le strutture costituisce spesso l'aspetto significativo dell'architettura di alcune costruzioni attuali. La parola 'high-tech' definisce proprio questa architettura che affida la propria espressione al virtuosismo strutturale delle parti in acciaio.
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Il materiale
L'industria siderurgica propone una serie di prodotti sotto forma di profilati, lamiere e larghi piatti, che il progettista può combinare per ideare la struttura e la forma dell'edificio.
Fra questi i più utilizzati sono sicuramente i profili laminati a caldo. Questi prodotti vengono ricavati mediante la lavorazione a caldo di un prisma in acciaio, di sezione genericamente rettangolare che viene profilato con lavorazioni industriali, fino a raggiungere la sezione prestabilita.
L'insieme dei prodotti laminati è raccolto nel 'Sagomario' e si sta unificando su scala mondiale.
I profili più utilizzati in commercio sono i seguenti:
- ad I con ali rastremate (tipo IPN);
- ad I ed a H con ali parallele (tipo IPE ed HEA, HEB, HEM, unificate sul piano europeo dalle Euronorme);
- ad L, a T, a Z, a L con lati uguali e disuguali;
- tubi o profili cavi con sezione chiusa, con perimetro tondo, quadrato, rettangolare.
La qualità dell'acciaio in commercio, con il quale sono prodotte le sezioni sopra descritte, è di diverso tipo, corrispondente a diverse caratteristiche meccaniche. Viene riportata la tabella tratta dall'Ec3 (Norma Europea che codifica la progettazione delle strutture in acciaio) in cui sono evidenziati i valori di resistenza dei vari tipi di acciaio.
Si possono comunque comporre sezioni in forme più particolari mediante saldatura di lamiere a caldo, tecnica costruttiva utilizzata solitamente per realizzare strutture di rilevanti dimensioni, quali impalcati da ponte, carroponti. In ogni caso questa tecnica permette di confezionare la geometria delle sezioni dei profili e i dettagli costruttivi rispondenti a particolari esigenze estetiche richieste dal progettista.
Sezioni di forma più varia si ottengono attraverso il processo di sagomatura a freddo, ottenuto mediante piegatrici di lamiere di piccolo spessore (3-4 mm). Questo processo risulta più flessibile di quello di laminazione offrendo una gamma di prodotti molto più ampia.
Il loro uso in elementi di importanza statica, data l'estrema sottigliezza degli spessori delle lamiere, richiede particolare attenzione riguardo ai problemi di instabilità locale.
Caratteristica fondamentale delle costruzioni in acciaio è che a partire da elementi semplici, di dimensioni ridotte e quindi facilmente trasportabili, si possono comporre strutture anche complesse, di notevoli dimensioni ed articolate nello spazio Poiché in generale la struttura nasce dall'unione di singoli elementi, il progettista deve dedicare particolare attenzione allo studio delle giunzioni fra questi. La realizzazione di nodi rigidi risulta molto complessa e costosa, a differenza delle strutture in c.a. dove la continuità delle parti viene realizzata attraverso l'inserimento di opportune armature metalliche nel getto. Questo induce lo strutturista a progettare i dettagli molto accuratamente se vuole fare affidamento su riserve strutturali per geometria oltre su quelle offerte dalle caratteristiche meccaniche del materiale.
Altri particolari fenomeni importanti da considerare nella progettazione di sistemi in acciaio sono:
- la deformabilità , cioè l'insieme degli spostamenti degli elementi della costruzione (pilastri, impalcati e mensole) sottoposti ai carichi di progetto. Questo fattore, piuttosto che la resistenza meccanica del materiale, determina il dimensionamento degli elementi strutturali.
- l'instabilità . L'acciaio è un materiale che, pur avendo in generale un comportamento a trazione e compressione praticamente simmetrico, risponde diversamente quando intervengono problemi di stabilità dell'equilibrio.
- i problemi di instabilità possono essere locali, cioè riferiti ai singoli elementi, o globali, da valutare sempre considerando la struttura nello spazio tridimensionale. I più comuni sono i casi di aste compresse, presso-inflesse, travi inflesse ed imbozzamento. Le normative vigenti in Italia (D.M. 5/02/1996 CNR UNI 10011) e in Europa (EC3) forniscono comunque criteri di verifica semplificati per il controllo degli elementi sottoposti a fenomeni di questa natura.
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L'acciaio in Italia
L'utilizzo dell'acciaio nella struttura degli edifici non si è sviluppato in Italia come negli altri paesi del mondo, per diverse ragioni tra cui:
- il costo leggermente superiore dell'acciaio rispetto a quello di altri materiali, quali calcestruzzo armato e laterizio, più disponibili in Italia;
- la scarsa conoscenza dei progettisti architettonici della tecnologia delle costruzioni in acciaio e delle grandi possibilità che offre questo materiale;
- una cultura accademica diffusa in molte facoltà di architettura italiane che non promuove la sperimentazione di forme nuove, con materiali e tecnologie diverse da quelli più tradizionali.
Fortunatamente anche in Italia negli ultimi anni, seguendo una metodologia di lavoro applicata in altri paesi - soprattutto in quelli anglosassoni - la progettazione architettonica è divenuta 'integrata' di tutti gli aspetti strutturali ed impiantistici.
L'architetto quindi, fin dagli inizi del progetto, lavora a fianco dell'ingegnere per scegliere il tipo di struttura ed il materiale più idoneo a soddisfare le esigenze architettoniche e funzionali della costruzione.
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Le tipologie strutturali
Utilizzando i profili e i criteri di dimensionamento sopra descritti si possono schematizzare le strutture in acciaio secondo tre grandi categorie:
- strutture costituite da elementi ad anima piena che possono essere collegati fra loro, prevalentemente a 90°, attraverso giunzioni bullonate o saldate. Di questa diffusa tipologia costruttiva fanno parte gli edifici multipiano, che esemplificano in maniera evidente quali problemi strutturali il progettista si trovi a risolvere. Questi sono costituiti da una serie di impalcati di piano, sostenuti da una o due orditure di travi a loro volta collegati alle colonne.
- strutture reticolari, costituite da aste collegate fra loro attraverso nodi, di forme diverse, che vanno a creare elementi piani o spaziali di varia complessità ;
- strutture strallate e speciali.
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Strutture per edifici multipiano
Gli elementi strutturali principali costituenti questa tipologia sono le colonne, le travi e i solai di piano. Questi ultimi possono essere di diversi tipi, i principali sono quelli in c.a., c.a.p. e strutture miste acciaio-cls (per esempio i solai in lamiera grecata con getto integrativo). In casi particolari si può ricorrere anche a lastre irrigidite interamente in acciaio.
Gli schemi statici ai quali fare riferimento per il dimensionamento degli elementi che definiscono questa tipologia costruttiva, sono i seguenti:
- struttura pendolare: quando gli elementi trave e colonna sono fra loro incernierati così da evitare che le travi trasmettano sollecitazioni flessionali alle colonne. Risulta però necessario rendere isostatica la struttura attraverso dei sistemi di controvento. Questa tipologia inoltre vincola il trasferimento delle sollecitazioni orizzontali al terreno in aree limitate spingendo il progettista a studiare dettagliatamente le strutture di fondazione;
- struttura intelaiata: questa scelta comporta una progettazione dettagliata ed impegnativa delle giunzioni fra travi e colonne ed in seguito un costo di realizzazione elevato; inoltre va tenuto conto che lo schema statico a telaio induce le colonne a lavorare a presso-flessione penalizzando la capacità portante della sezione, costringendo quindi la scelta di profili più massicci.
La stabilizzazione della struttura, nei riguardi delle azioni orizzontali, può essere affidata a controventi in acciaio, cioè collegando i nodi fra le travi e le colonne attraverso elementi diagonali così da costituire dei piani rigidi verticali, oppure collegando la struttura in acciaio a nuclei rigidi in c.a., per esempio vani scala, ascensori.
Il trasferimento delle forze orizzontali, dagli elementi direttamente investiti da queste, ai sistemi di controventamento è garantito dalla rigidezza membranale dei solai, che devono quindi essere progettati tenendo conto di questa necessità . Questo scopo può essere raggiunto sfruttando il contributo del calcestruzzo, nel caso di solai misti, oppure inserendo dei controventi orizzontali per solai interamente in acciaio.
La sapiente composizione di profili semplici normalizzati, secondo gli schemi sopra descritti, può portare ad ottenere validi risultati architettonici. L'edificio Headquarters di iGuzzini Illuminazione a Recanati (M. Cucinella, 1996) ne costituisce un interessante esempio.
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Strutture reticolari
Le strutture reticolari, possono assumere le forme più svariate, e vengono realizzate mediante l'unione di elementi inclinati, aste semplici quali diagonali e puntoni, con `briglie inferiori e superiori' generalmente paralleli.
Le caratteristiche del materiale acciaio vengono, nelle strutture reticolari, esaltate ed ottimizzate.
Il risultato sono strutture estremamente leggere in rapporto alle luci da coprire. Il disegno, a volte complesso, dei possibili giochi di aste è il prodotto dell'invenzione del progettista architettonico e dell'ingegnere strutturista.
Le strutture reticolari possono essere classificate in monodimensionali o spaziali.
Si parla di sistemi monodimensionali quando le aste compongono una trave o un pilastro, che presenta una direzione prevalente. La sezione della trave reticolare può essere a sua volta piana (reticolare a sogliola), triangolare o scatolare rettangolare. Le due ultime si prediligono quando la luce delle travi stesse impone una rigidezza torsionale.
Le superfici di copertura dei più gradi aeroporti del mondo, quali il Chek Lao Koki di Hong Kong, lo Stansted, Essen in Inghilterra di Norman Foster e l'aeroporto giapponese Kansai, Osaka di Renzo Piano sono realizzati con strutture reticolari.
Riportiamo come pregevole altro esempio la struttura principale dell'interscambio metropolitano di Roissy (P. Andreu e P. Rice, 1994). Osservando l'interno dell'opera si riconoscono le travi principali in cui la briglia inferiore, tesa, presenta una notevole curvatura, mentre la briglia superiore compressa ha un andamento orizzontale.
L'intreccio delle aste che collegano le travi di copertura ed il disegno a tripode dei pilastri di sostegno creano uno spazio tecnologico estremamente interessante.
Due edifici ove la struttura reticolare in acciaio appare perfettamente disegnata e risolta con eleganti soluzioni dei collegamenti delle aste sono l'Aeroporto di Amburgo e la Fiera di Hannover (von Gerkan, Marg & Partners). Nel primo caso sono evidenti travi reticolari spaziali collegate a pilastri 'ramificati' costituiti da profili tubolari, mentre il secondo edificio è costituito da capriate con briglie a linea curva, ove gli elementi tesi sono essenziali profili tondi.
Le strutture reticolari spaziali vengono utilizzate per coprire grandi superfici, nei casi in cui non venga richiesta una direzione di orditura principale rispetto ad un'altra. In quest'ottica vengono utilizzate le strutture reticolari spaziali che possono avere estradosso ed intradosso piano (Edificio Tad Linate, O. Di Blasi), oppure costituire superfici più complesse, come nel caso della Law Faculty, Cambridge University (N. Foster).
L'elemento chiave delle reticolari spaziali è il sistema di collegamento fra le aste.
La produzione può essere industrializzata e diventare un vero e proprio prodotto commerciale.
Tra le tipologie più diffuse segnaliamo le seguenti:
- sistema 'Unistrut', il collegamento è ottenuto attraverso piastre sagomate,
- sistema 'Mero' o 'Tectovis' con nodi a sfera o semisfera in acciaio e giunzione a vite, in questa maniera si possono collegare anche 18 aste tubolari,
- sistema 'Oktaplatte o Fit', costituito da una sfera cava a cui sono saldate le aste tubolari,
- sistema 'Met Ram', i nodi vengono realizzati con dei fazzoletti e le aste sono profilati speciali composti,
- sistema 'Triodetic', nodo in acciaio a forma conica con scanalature dentellate ed aste tubolari ad estremità schiacciate.
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Strutture speciali
Come accennato l'acciaio consente al progettista di inventare forme architettoniche originali e risolvere soluzioni tecnologiche sempre diverse.
Alla struttura metallica portante può essere inoltre facilmente applicato ogni tipo di rivestimento, per esempio intere superfici vetrate di copertura o pareti esterne.
Segnaliamo tre esempi che ben sintetizzano l'uso esaltante dell'acciaio nell'architettura moderna:
Il Centre Goerges Pompidou di Parigi (R. Piano e R. Rogers): prototipo (1977) di un nuovo modo di costruire e di concepire gli spazi pubblici.
Uffici Lowara, Montecchio Maggiore - Vicenza (R. Piano): la copertura, vista in sezione trasversale è una superficie concava verso l'alto, biparabolica asimmetrica, approssimante l'andamento della catenaria.
Stratford Station, London (C.Wilkinson Architets): le grandi travi ad anima piena a boomerang, ben evidenti nel prospetto, chiudono con ampie vetrate lo spazio della stazione.
Guggenheim Bilbao Museum (F.O.Gehry): una maglia di pilastri, travi e traversi di acciaio, collegati fra loro a formare una geometria incredibile, costituisce il supporto della pelle in titanio che delinea le forme scultoree dell'edificio.
Una tecnica costruttiva molto utilizzata nelle costruzioni moderne è quella delle strutture strallate. Risponde all'esigenza di coprire luci importanti senza appoggi intermedi o comunque di ridurre al minimo l'altezza degli elementi di copertura. La struttura viene collegata in certi punti a funi o barre, creando così degli appoggi intermedi. Le funi scaricheranno localmente a terra i carichi a cui la struttura è sottoposta. Questa tipologia conferisce sempre alla costruzione un aspetto di estrema leggerezza e grande effetto visivo. Tra le più interessanti realizzazioni sono senz'altro da ricordare i ponti strallati di Santiago Calatrava e le nuove costruzioni sorte a Londra negli ultimi anni, il Millennium Dome di R. Rogers fra tutti. Proprio legato alla sua leggerezza e alle sue caratteristiche meccaniche l'acciaio risulta particolarmente adatto ad essere associato nelle costruzioni ad altri materiali quali alluminio, legno lamellare e vetro. Fra questi i migliori risultati si ritrovano nella combinazione dell'acciaio con il legno lamellare, dove ogni materiale viene utilizzato ottimizzando le proprie caratteristiche meccaniche. Da ammirare sono le strutture dell'aeroporto di Oslo (Gudmund Stokke). In questo intervento, oltre al legno e all'acciaio, è presente anche il cemento armato, per quegli elementi strutturali che devono mostrare la robustezza. L'associazione di acciaio e legno lamellare caratterizza il Centro Culturale di Nouméa, New Caledonia (R. Piano). In questo caso l'acciaio permette di 'cucire' il legno attraverso elementi di dimensioni veramente ridotte, senza quindi alterare l'aspetto visivo dell'intera opera. L'abbinamento di acciaio e vetro trova spesso soluzioni spettacolari nelle costruzioni attuali. La snellezza degli elementi in acciaio permette di costruire opere in cui la superficie vetrata, rispetto a quella coperta dagli elementi metallici, risulta elevatissima conferendo all'insieme una leggerezza ancora più marcata. Sicuramente, nei prossimi anni, la sperimentazione di nuovi materiali metallici da parte dei centri di ricerca e dell'industria delle costruzioni darà ai progettisti la possibilità di concepire edifici di forme e dimensioni nuove, mai fino ad ora immaginate.
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