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Metalliche, costruzioni

Edimburgo, Scozia. Forth Rail Bridge, 1883-1890. (foto T. Roelandts, ww.tomroelandts.com).
Edimburgo, Scozia. Forth Rail Bridge, 1883-1890. (foto T. Roelandts, ww.tomroelandts.com).

Definizione e cenni storici

Con l’espressione costruzioni metalliche si indicano manufatti edilizi e infrastrutture con struttura portante costituita prevalentemente da elementi metallici. Il materiale con il quale sono realizzate le costruzioni metalliche è prevalentemente il ferro, nelle sue leghe di carbonio: acciai e ghisa. Più raro e recente è l’impiego dell’alluminio.
Per millenni il ferro fu utilizzato solo con funzioni di solidarizzazione tra le pietre, di incatenamento delle opere murarie o con funzioni secondarie per lavori di ferramenta.
L’impiego del ferro come materiale prevalente nelle costruzioni edilizie e nelle grandi opere di ingegneria ebbe avvio alla fine del Settecento, ma si affermò solo nell’Ottocento con la rivoluzione industriale, che consentì la produzione di notevoli quantità di materiale a costi accettabili. Ancora a metà del XIX secolo, John Ruskin considerava il ferro inadatto alla costruzione di manufatti architettonici e ne relegava l’uso a elementi nascosti di collegamento delle murature; un esempio di tale impiego è la cosiddetta “pietra armata”, prima tecnica di costruzione in pietra con notevoli quantità di staffe e barre metalliche, con la quale sono stati realizzati a Parigi il porticato del Louvre, il Panthéon di Soufflot e Rondelet e la chiesa di Saint Sulpice.
L’introduzione delle costruzioni in ferro produsse una vera rivoluzione sia nelle forme dell’architettura, che nella prassi progettuale e nel dimensionamento delle costruzioni. Il ferro, infatti, permise di passare da costruzioni massicce e con elementi strutturali diffusi a costruzioni leggere con strutture composte da pilastri e travi anche con grandi luci, ma richiese lo studio di nuove forme e procedure.
La necessità di trovare forme opportune e dimensionare i nuovi elementi strutturali impose l’abbandono delle regole tradizionali basate sulle proporzioni stabilite dall’Arte di Edificare e l’avvio di studi sulla meccanica dei materiali, con l’invenzione di nuove discipline per prevedere il comportamento delle nuove strutture. In Italia tali discipline presero il nome di “Scienza e Tecnica delle Costruzioni”. L’avvento delle costruzioni metalliche nel XIX secolo costituisce pertanto la nascita delle moderne strutture e della metodologia moderna di calcolo per il dimensionamento e la verifica: dall’empirismo alla scienza.

Forme strutturali e caratteristiche tecniche

L’impiego del ferro in opere a carattere fortemente utilitario e l’attribuzione a esse di una collocazione del tutto marginale nel dibattito sull’architettura da parte della cultura ufficiale dell’Ottocento, accentuarono la dipendenza, fino all’identificazione, delle costruzioni in ferro con le forme strutturali e con i procedimenti costruttivi, anche se la genialità e la sensibilità di alcuni progettisti seppe spesso coniugare le esigenze tecniche con quelle formali. Se all’inizio gli aspetti estetici vennero affrontati riproducendo in ferro forme e stili tradizionali, ben presto i progettisti inventarono nuove forme specifiche per le costruzioni in ferro.
Prima fra tutte quella delle travi a doppio T, derivata dall’ottimizzazione del rapporto resistenza/peso, inizialmente realizzate in modo composito, poi prodotte con tecniche di profilatura, fino a diventare la forma per eccellenza degli elementi costruttivi metallici.
Di rilievo fu anche l’introduzione dell’arco a tre cerniere, che consentì la costruzione di grandi coperture come la famosa Gallerie des Machines per l’esposizione di Parigi del 1889. La sensibilità delle costruzioni metalliche alle variazioni termiche impose, infatti, la realizzazione di strutture isostatiche, ovvero deformabili senza la formazione di coazioni interne: l’arco a tre cerniere rispondeva perfettamente a questa necessità.
Nel campo delle infrastrutture, per consentire assestamenti differenziati dei piloni dei ponti, venne inventata la “Trave Gerber”, che consentì la realizzazione di grandi ponti isostatici, come il famoso Forth Rail Bridge di Edimburgo.
Caratteristiche delle costruzioni metalliche sono anche le travi reticolari e le capriate metalliche, costituite da aste unite tra loro da nodi di differente forma, opportunamente composte per avere un notevole momento d’inerzia, quindi una notevole altezza, e un peso molto limitato. Sia le travi che le capriate in acciaio ebbero inizialmente forme simili a quelle già note di legno, ma presto furono inventate nuove geometrie specifiche per l’uso del ferro, come le “capriate Polanceau” miste legno-acciaio, o le cosiddette “capriate all’inglese” per grandi luci.
La produzione degli elementi costruttivi in officina e l’assemblaggio in cantiere obbligò a una particolare attenzione alle tecniche di unione. Per i pilastri in ghisa, che non sopportavano tensioni di trazione, non potevano essere forati ne’ saldati, si ricorse spesso a unioni semplicemente appoggiate, con connessioni “a bicchiere”, o a unioni con fasce e anelli in acciaio.
La tecnica di unione tra elementi d’acciaio che per molti decenni rimase la più diffusa, soprattutto per grandi costruzioni, fu l’unione di lamiere mediante chiodatura a caldo.
Più tarde sono le unioni con bullonatura, bullonatura ad attrito e saldatura di vario tipo.
Anche le necessità di protezione del materiale dall’ossidazione richiese nuove tecniche e favorì lo sviluppo di una cultura specifica delle costruzioni metalliche.

Tipologie architettoniche delle costruzioni metalliche

Edifici alti

I progettisti compresero ben presto che l’ossatura metallica si prestava a integrarsi con tamponamenti ugualmente leggeri, in particolare, con elementi vetrati, prodotti secondo nuovi procedimenti introdotti negli anni Trenta del XIX secolo in Inghilterra. L’uso del vetro permetteva di assecondare la percezione della leggerezza della struttura e della riduzione del suo ingombro e contribuiva a stravolgere il tradizionale rapporto tra interno ed esterno delle architetture in muratura. La luce, che nelle architetture in muratura rivela l’equilibrio delle masse ed esalta i volumi, nella costruzione a ossatura metallica evidenzia le linee della struttura e l’articolazione dei dettagli di assemblaggio.
Quando, nella seconda metà dell’Ottocento, si sviluppò la produzione dell’acciaio e gli Stati Uniti diventarono la prima potenza metallurgica mondiale, l’acciaio dette nuovo impulso anche all’aspirazione dell’uomo a spingere al limite la verticalità delle costruzioni e vennero realizzati i primi grattacieli.
L’acciaio, infatti, non solo consentiva di sostenere i notevoli pesi di un’alta costruzione con un numero limitato di pilastri, lasciando ampi spazi liberi, ma permetteva anche di realizzare strutture snelle resistenti alle sollecitazioni flessionali dinamiche indotte dalle azioni orizzontali, quali il vento e il sisma.
L’immagine esterna del grattacielo restò a lungo legata ai criteri di composizione delle facciate tradizionali; certamente i grattacieli di Mies van der Rohe a Chicago, negli anni Sessanta del XX secolo, nei quali l’acciaio venne valorizzato fino a essere l’unico elemento architettonico in vista, insieme al vetro, segnano l’affermazione definitiva del valore delle costruzioni metalliche in architettura.

Ponti e viadotti

Tra le tipologie architettoniche ottocentesche in metallo, i ponti e i viadotti ferroviari in ghisa e ferro hanno in molti casi rappresentato anche opere di grande valore paesaggistico.
La possibilità di superare grandi luci e il minor costo dei ponti in ghisa rispetto a quelli in pietra, portarono alla diffusione di questa tecnologia dapprima in Inghilterra, poi in Francia e infine nel resto d’Europa.
Verso la metà dell’Ottocento, la produzione a larga scala di semilavorati in ferro permise la costruzione di ponti ad anima piena e a cassone, poi a traliccio, più leggeri e meno rischiosi, rispetto a quelli in ghisa, sotto l’effetto del vento. Le verifiche di calcolo portarono poi alla messa a punto di travi reticolari a profilo longitudinale variabile con altezza maggiore in mezzeria, dove le sollecitazioni di flessione nella trave sono più elevate. Nei ponti e nei viadotti ferroviari anche le pile di pietra furono gradualmente sostituite da piloni a traliccio metallico, più leggero ed economico. Alla fine del XIX secolo l’acciaio sostituì il ferro e la ghisa, permettendo di raggiungere portate più ampie.
In alternativa ai ponti ad arco e a travi si sostituirono già nell’Ottocento negli Stati Uniti, i primi ponti sospesi e poi quelli strallati.

La nuova concezione di involucro

Al pari delle grandi infrastrutture territoriali, le grandi strutture delle stazioni, delle gallerie commerciali e dei mercati mutarono la città ottocentesca con i segni di un linguaggio tecnologico che poco concedeva ai canoni della composizione architettonica e che risultava idoneo alle nuove esigenze della vita urbana.
Con la tecnologia del metallo nelle costruzioni si afferma, dalla metà dell’Ottocento, un’idea di involucro dell’edificio profondamente diversa da quella della tradizione: la facciata abbandona il suo ruolo portante per non essere altro che involucro che chiude gli spazi interni e li protegge dalle intemperie. La specializzazione funzionale della facciata è possibile perché la struttura portante è risolta con un sistema a telaio metallico. Nascono così, prima le pareti in muratura autoportanti esterne, ancorate alle strutture metalliche, poi le soluzioni a involucro leggero, del tipo a cortina o curtain wall.
L’involucro non è più conservativo, è diventato selettivo nel permettere alla luce di penetrare negli spazi interni liberati delle pareti portanti, nel dotarsi di sistemi di schermatura conformati in modo da regolare le penetrazione dei raggi solari, nell’integrarsi con gli impianti che forniscono l’energia necessaria a riscaldare e illuminare l’ambiente.
La tecnologia del metallo, non tanto come tecnologia d’involucro, quanto come tecnologia delle strutture che bene si integra con tamponamenti leggeri, originò, già dal suo apparire, un’attenzione per la climatizzazione interna del tutto nuova nel progetto, attenzione che ancora caratterizza l’architettura in metallo, spesso ritenuta la più versatile a soluzioni innovative sensibili alla risposta ambientale.

Caratteristiche meccaniche ed elementi costruttivi in metallo

Le caratteristiche degli elementi in acciaio, la geometria delle configurazioni di assemblaggio e i tipi di connessioni determinano la tipologia costruttiva e strutturale e un comportamento meccanico prevalentemente sollecitato a flessione o a sollecitazioni assiali di trazione e compressione.
Nella concezione di un edificio con la struttura di elevazione in acciaio del tipo a telaio, un’importanza particolare assumono le azioni laterali e i sistemi di stabilizzazione a tali sollecitazioni. Il problema della stabilità laterale interessa non solo l’edificio nel suo esercizio, ma anche le fasi di montaggio.
Uno dei problemi specifici delle strutture metalliche è quello dell’instabilità degli elementi costruttivi. La stabilità dei telai è, infatti, funzione dei vincoli fra travi e pilastri. A fronte di sollecitazioni trasversali, ma anche di sollecitazioni longitudinali di compressione, l’instabilità si manifesta, nei telai ad assemblaggi articolati, con spostamenti laterali dei nodi, che modificano la geometria del telaio e con instabilità assiali. Per la stabilizzazione si ricorre in genere a sistemi di controventamento in acciaio o con pannelli in c.a..
Altro problema delle costruzioni metalliche sono le deformazioni termiche. Gli elementi costruttivi, soprattutto se a vista, risentono direttamente delle variazioni termiche, anche a causa della buona conducibilità e della modesta inerzia termica, e possono essere soggette a deformazioni sensibili, che possono creare stati tensionali coattivi elevati o compromettere la compatibilità con le opere di finitura. Nel progettare costruzioni metalliche sono in genere da prediligere strutture isostatiche (nelle quali non si creano coazioni) e collegamenti deformabili con le finiture (pannelli, vetri o murature). Le alte temperature costituiscono un rischio anche per la sicurezza; il ferro infatti intorno ai 900°C perde di resistenza e si deforma plasticamente. Nelle costruzioni metalliche la protezione antincendio di tutte le strutture costituisce una problematica fondamentale.
Nelle costruzioni metalliche, oltre alla struttura principale, sono generalmente in acciaio anche altri elementi costruttivi secondari, come solai, scale, pannelli.
Già a partire dalla metà dell’Ottocento il ferro venne utilizzato nei solai per edifici civili, in travi associate con elementi in laterizio interposti o con volterrane. Oggi i solai di acciaio sono spesso utilizzati con gli impianti distribuiti orizzontalmente all’intradosso del solaio; sono per lo più costituiti da lamiere grecate profilate a freddo, appoggiate su travi metalliche con le nervature perpendicolari ai supporti. Sulla lamiera viene generalmente realizzato un riempimento in calcestruzzo: in alcuni casi quest’ultimo non svolge alcuna funzione strutturale, in altri collabora con la lamiera grecata.
Le scale in metallo possono essere costituite da una parte portante distinta dagli scalini o da una lamiera conformata a gradini che costituisce una rampa autoportante. Nelle scale a chiocciola, il supporto è costituito dalla colonna centrale alla quale sono saldati gradini a sbalzo, per lo più realizzati in lamiere sagomate autoportanti.
Acciaio e alluminio sono anche utilizzati in lastre sottili, piane, formate o nervate, per realizzare rivestimenti di parete o pannelli stratificati (sandwich) per pareti esterne e interne.
Tra le costruzioni metalliche possono rientrare anche le tensostrutture, che sono costituite da membrane sostenute da maglie o reti di cavi in acciaio ad alta resistenza fortemente sollecitate a trazione. Con le tensostrutture si possono coprire ampi spazi con pochi punti d’appoggio.

Bibliografia

Del Nord R., Felli P., Torricelli M.C., Materiali e tecnologie dell’architettura, Bari, 2002; Schulitz H.C., Sonek W., Habermann K.J., Atlante dell’acciaio, Torino, 1999.

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