Principi strutturali e materiali nell'architettura moderna

Quali sono le strutture architettoniche e i carichi?

Quando individuiamo una struttura corretta o scorretta ce ne accorgiamo, ma questo non è sempre vero perché un’ architettura può apparire bellissima ma scorretta dal punto di vista strutturale, ad esempio i tempi greci originariamente in legno e poi in pietra. Gli elementi della copertura lavorano a flessione, e la pietra a flessione lavora male, rischia di spaccarsi. Un architetto deve prevedere i carichi, quelli permanenti, ossia i solai, e quelli accidentali, ossia persone, arredi, pioggia, vento, neve, attività sismica, ecc. i carichi vengono rappresentati come forze che cadono verticalmente sul suolo, o orizzontalmente come venti, terremoti.. Le forze dei carichi man mano si accumulano, quindi più in basso si va nell’edificio più i carichi sono pesanti.

Materiali da costruzione e pesi

I carichi permanenti hanno a che fare con le strutture quindi bisogna essere a conoscenza del peso dei principali materiali da costruzione:

• Conglomerato cementizio ordinario: 2400 kg/mc

• Conglomerato cementizio ordinario armato (e/o precompresso): 2500

• Conglomerati "leggeri": da determinarsi (1400 ÷ 2000)

• Conglomerati "pesanti": da determinarsi (2800 ÷ 5000)

• Acciaio: 7850

• Ghisa: 7250

• Alluminio: 2700

• Legname: abete castagno 600; quercia noce: 800

• Pietrame: tufo vulcanico 1700, calcare compatto 2600, calcare tenero 2200, granito 2700

• Laterizio (pieno): 1800

• Malta di calce: 1800

• Malta di cemento: 2100

Carichi statici e accidentali

I carichi più importanti sostenuti da una struttura architettonica non sono soggetti a rapide variazioni nel tempo, si definiscono statici ed è in funzione di essi che la struttura viene generalmente proporzionata. L’inevitabile peso proprio della struttura e quello di tutti i carichi che su di essa gravano in permanenza, costituiscono il cosiddetto carico permanente, il progettista dunque è costretto a iniziare il calcolo di una struttura ipotizzandone le dimensioni e con esse il peso proprio. In molti casi il carico permanente è il più importante fra i carichi a cui la struttura è soggetta e supera tutti gli altri carichi. In alcuni casi l’impiego di materiali moderni come c.a., alluminio, può ridurre l’importanza del carico permanente rispetto agli altri carichi, ma non è mai trascurabile, perché appunto la sua caratteristica è la permanenza. Tutti i carichi che non costituiscono il carico permanente vengono definiti carichi accidentali o sovraccarichi, comprendono i carichi mobili dunque persone, animali, macchine e attrezzature, pareti divisorie, neve, ghiaccio ecc.

Effetti del vento e temperatura

È impossibile prevedere la velocità massima che il vento potrà raggiungere in una determinata località, ma comunque le norme fissano valori uniformi di sicurezza per le sovrapressioni e le depressioni provocate dal vento, per questo sono opportune delle controventature.
Tutte le strutture sono soggette a variazioni di temperatura, e mutano con queste azioni termiche, di forma e dimensioni, ad esempio se abbiamo un ponte in acciaio con una luce di 90 m, costruito nella stagione invernale con una temperatura media di 2° C, in una giornata estiva la temperatura dell’aria sale a 35° C e il ponte si allunga, di una misura modesta rispetto alla sua intera lunghezza, 33 mm, ma se i piloni ai quali il ponte è vincolato non ne consentono questo breve allungamento, si crea nel ponte una sollecitazione orizzontale di compressione capace di ridurne la lunghezza al valore invernale, per esempio però l’acciaio resiste molto a compressione quindi impegnerebbe metà della sua resistenza per ridurre la lunghezza di 33 mm, per questo è meglio consentire al ponte il variare della lunghezza a seconda delle temperature, facendo poggiare una delle estremità del ponte su un “appoggio a bilanciere”. Un’altra sollecitazione dovuta a deformazioni sono le azioni dovute ai cedimenti. Un terreno di resistenza ineguale, caricato col peso di un edificio, può subire un cedimento più pronunciato in alcuni punti delle fondazioni che in altri.

Carichi dinamici e terremoti

Questi carichi sono carichi che non variano o variano lentamente nel tempo, si dicono carichi applicati staticamente, invece ci sono carichi dinamici che mutano rapidamente o sono applicati improvvisamente, non si devono trascurare i loro effetti. Questi carichi possono essere d’urto, applicati improvvisamente, o in risonanza, applicati ritmicamente. Tutte le strutture in misura diversa sono elastiche e quindi si deformano sotto l’azione di un carico, per poi ritornare alla configurazione iniziale. Il tempo che occorre perché la struttura compia una oscillazione completa è il suo periodo proprio di oscillazione completa. Una struttura rigida oscilla rapidamente, una flessibile oscilla lentamente. Se la durata di applicazione di un carico è breve rispetto al periodo proprio, il carico ha effetti dinamici, se è lungo gli effetti sono solo statici, quindi un carico può essere statico o dinamico a seconda delle strutture. Per la maggior parte, i carichi applicati alle strutture non hanno carattere d’urto, salvo quelli provocati da moti sismici, il terremoto infatti consiste in oscillazioni brusche del terreno. Per cercare di isolare le costruzioni dalle vibrazioni provocate dai terremoti la struttura può avere fondazioni poggianti su cuscinetti costituiti da tre strati alternati di plastica e acciaio che agiscono come una molla orizzontale isolando la struttura dal movimento del terreno sottostante, oppure si utilizza la soluzione a smorzatore dinamico, viene posta una grossa massa di calcestruzzo sul tetto, collegata ai muri della struttura tramite molle, in modo che ogni volta che la struttura di muove, un sistema meccanico spinge la massa nella direzione opposta per equilibrare. Non sono da sottovalutare i carichi di risonanza, come per esempio l’azione del vento che produce un’oscillazione aerodinamica. Il ponte sospeso di Tacoma nello stato di Washington crollò a causa del vento che soffiò per sei ore consecutive contro il ponte.

Materiali e proprietà meccaniche

I materiali sottoposti a sollecitazioni si deformano temporaneamente. Una proprietà essenziale dei materiali è la duttilità, se prendiamo ad esempio un cubetto d’acciaio e lo blocchiamo in una macchina, lo agganciamo e lo tiriamo con una forza verso l’alto, riportiamo sulle ascisse i valori delle deformazioni e sulle ordinate quelli della forza. All’inizio comincia a deformarsi e, finita la sollecitazione, la deformazione si annulla, quindi ha un comportamento elastico, poi pian piano le molecole del materiale cominciano a scollegarsi tra loro e il materiale si deforma fino a rompersi. Quindi nell’acciaio esiste una fase elastica, una di snervamento, che è una sorta di avviso, e poi si rompe. Se prendiamo il vetro ad esempio, questo non è duttile, sottoposto a una sollecitazione si spacca senza avvisare, è un materiale fragile, e non ha una fase plastica, si passa velocemente dalla fase elastica alla rottura. Altre proprietà essenziali dei materiali sono Isotropia e Anisotropia. Un materiale si dice ISOTROPO quando ha le stesse proprietà

elastiche in ogni direzione, cioè la deformazione elastica di un provino è indifferente rispetto

ad un'arbitraria rotazione relativa tra provino e macchina di prova. Se invece tale risposta è

differente il materiale viene definito ANISOTROPO. Il legno è un materiale Anisotropo perché se sottoposto a trazione lungo le fibre è molto resistente, perpendicolarmente alle fibre no.