Le strutture edilizie
Ogni volta che ci soffermiamo a osservare un oggetto, un animale, un albero, possiamo notare, oltre alla forma, al colore e alle dimensioni, la loro capacità di stare in piedi, cioè di sopportare il proprio peso senza crollare.
Ogni elemento, naturale o costruito, possiede, infatti, una struttura interna (nel caso degli esseri umani lo scheletro) che gli permette di resistere al proprio peso e ad altre sollecitazioni che agiscono sull’elemento stesso.
Trasferendo questo concetto alle costruzioni, chiameremo struttura portante o resistente (o più semplicemente struttura) l’insieme di tutti gli elementi che hanno il compito di sostenere il peso della costruzione (carichi permanenti) e dai carichi accidentali ed eccezionali. Sono carichi accidentali i mobili, le persone che abitano o lavorano nell’edificio e tutti gli elementi non portanti, le auto e i camion nel caso di strutture stradali ecc. Sono carichi eccezionali le esplosioni, gli urti imprevisti, il peso di una grossa nevicata sul tetto o le vibrazioni causate da un terremoto..
LE PRIME STRUTTURE
Tutte le strutture si compongono di elementi orizzontali (fondazioni, travi, solai, tetti) e verticali (pilastri e murature), riconducibili a forme geometriche elementari, come il triangolo, il cerchio, il cilindro, che possiamo ritrovare negli edifici e nei monumenti che ci circondano e che insieme servono a diverse funzioni quali sostenere, chiudere, proteggere e dividere.
L’uso di tre bastoni uniti tra loro per l’estremità superiore e coperti con foglie o pelle d’animale ha permesso agli uomini preistorici di realizzare una struttura semplicissima: la tenda.
FacilI da smontare e comodE da trasportare queste strutture sono ancora oggi utilizzate da alcune popolazioni (come quella lappone o quella nativo americana) come riparo durante le battute di caccia.
Un sistema più complesso, che nasce sempre dall’esigenza di una struttura facilmente smontabile e trasportabile, è offerto dalle tende dei nomadi del deserto o dai tendoni di un circo. Queste strutture, in particolare, sono formate da pali, i puntoni, e funi, dette tiranti. Le funi, tese agli estremi, resistono alla trazione (le sollecitazioni di allungamento), mentre i puntoni resistono alla compressione (le sollecitazioni di schiacciamento)
LE QUATTRO STRUTTURE ELEMENTARI
IL SISTEMA TRILITICO
Quando le popolazioni sono diventate più sedentarie, stabilendosi in villaggi, hanno iniziato a sviluppare strutture caratterizzate da una maggiore stabilità.
Una delle più semplici, almeno nella concezione iniziale, è il sistema trilitico, formato da due elementi verticali chiamati piedritti (pilastri, se a sezione quadrate o colonne, se a sezione circolare) sui quali è appoggiato l’elemento orizzontale detto trave (o architrave)
Il sistema trilitico è stato usato a partire dalla preistoria per costruire monumenti megalitici dal significato religioso come i dolmen e, successivamente nell’architettura greca e romana, per poi evolversi negli edifici in muratura dove ai piedritti sono sostituiti due muri paralleli sui quali è appoggiato il soffitto.
Come si vede nello schema accanto i piedritti devo sopportare il peso della parte superiore della struttura e trasmetterlo al terreno e, per questo, sono sottoposti a sollecitazioni di compressione. L’elemento orizzontale, invece, essendo appoggiato solo agli estremi, tenderà a piegarsi nel mezzo a causa del proprio peso e verrà sottoposto a uno sforzo di flessione.
La pietra è un materiale rigido, quindi non resistente a flessione e finirà per spaccarsi nel mezzo, per questa ragione è necessario ridurre la distanza tra i piedritti oppure utilizzare per le travi materiali resistenti flessione, come il legno.
IL SISTEMA AD ARCO
Nell’arco sono ancora presenti alcuni elementi della primitiva struttura trilitica, come i piedritti, ma in questo caso non sorreggono più un elemento orizzontale, ma una struttura curva formata da elementi di forma trapezoidale, chiamati conci, chiusi da un concio centrale detto chiave di volta.
Nell’arco il peso della struttura superiore farebbe scivolare verso il basso la chiave di volta che viene però trattenuta dai conci ad essa adiacenti i quali, a loro volta, sono trattenuti da quelli ad essi adiacenti e così via.
In questo modo tutti gli elementi dell’arco lavorano a compressione, fino a trasmettere il peso sugli elementi verticali della struttura che ricevono, però, una spinta leggermente inclinata che potrebbe ribaltarli.
Per evitare questo rischio gli elementi verticali, siano essi pilastri o muri, devono essere molto robusti e con un notevole spessore come accade nell’architettura romana (vedi immagini sotto) e in quella romanica.
Nell’architettura gotica il problema della spinta dell’arco venne risolto adottando il cosiddetto arco a sesto acuto o a doppio centro, che permetteva di realizzare muri più alti e più sottili, spesso arricchiti da ampie vetrate.
Ulteriori accorgimenti per garantire la solidità della struttura erano quelli di utilizzare archi rampanti, cioè mezzi archi che sostenevano l’arco principale e di aumentare il peso dei piedritti con statue, pinnacoli e archi sovrapposti come puoi vedere in quest’immagine dell’abside (la parte posteriore) della cattedrale di Notre Dame a Parigi.
Dall’arco sono poi derivate due sistemi di copertura: la volta a botte, ottenuta da una serie di archi ripetuti in successione e la cupola, ottenuta dalla rotazione di un arco intorno al proprio diametro verticale e in grado di coprire ambienti molto grandi.
LA CAPRIATA
La capriata è una struttura elementare e indeformabile basata sul triangolo che viene utilizzata per sorreggere i tetti inclinati.
E’ formata da due travi inclinate, dette puntoni, collegate ad una trave orizzontale chiamata catena ed è completata da altri elementi: il monaco (verticale) e i saettoni (inclinati), che irrobustiscono ulteriormente la struttura e riducono le deformazioni dovute all’invecchiamento del legno.
I puntoni, per effetto del peso sovrastante, scivolerebbero orizzontalmente ribaltando i muri ai quali sono appoggiati, ma grazie alla presenza della catena, restano nella loro posizione e il peso superiore viene scaricato sui muri laterali essenzialmente come compressione.
LE STRUTTURE MODERNE
IL TELAIO
il sistema a telaio è la struttura portante oggi più usata, essa deriva dal sistema trilitico e nella sua forma più semplice, detta portale, è formata da un elemento orizzontale (trave) e da due elementi verticali (pilastri), ma a differenza delle strutture tradizionali:
- gli elementi del solaio NON sono appoggiati gli uni agli altri, ma collegati saldamente in una struttura indeformabile e dal comportamento monolitico (cioè simile a quello di un oggetto unico e non composto da elementi separati);
- grazie a dei punti di collegamento detti nodi i portali formano complesse strutture tridimensionali, dette gabbie;
- la continuità della struttura, infine, fa sì che i pesi vengano trasmessi a tutti gli elementi della struttura che si deforma, ma senza ribaltamenti;
- le strutture a telaio sono realizzate in acciaio o in calcestruzzo armato (formato da una struttura in cemento nella quale è immerso uno scheletro di barre di acciaio)materiali che possono sopportare facilmente sforzi di trazione.
