di Salvatore Viscuso
La combinazione dei principi della leggerezza e di adattabilità offre una grande opportunità per l’architettura moderna e per le sue esigenze sempre più specifiche. Un sistema intelligente di tipo adattivo, realizzato mediante l’uso di materiali leggeri, può semplificare notevolmente la struttura e ridurre il consumo energetico complessivo durante il funzionamento. Tuttavia, la geometria dei sistemi adattivi deve essere attentamente approfondita e progettata per le diverse configurazioni sviluppabili, in modo che, oltre all’integrità strutturale, sia garantita la mobilità degli elementi retrattili in tutte le condizioni di carico rilevanti.
Spinti dalla ricerca di soluzioni sempre più personalizzate, in virtù delle potenzialità offerte dalla modellazione digitale, gli architetti stanno quindi scoprendo nuove soluzioni ibride che sfruttano le potenzialità combinate di più materiali, così come principi meccanico-strutturali trasferiti da altri settori industriali. L’architettura tessile, finalizzata allo sviluppo di sistemi di schermatura solare e di controllo della luminosità, rientra a pieno titolo tra le tecnologie che possono essere “ibridate” in una costante ricerca di efficienza strutturale e funzionalità.
Una quantità significativa di ricerche e sviluppi industriali ha mirato a superare il comportamento anisotropo dei tessuti, sviluppando prodotti da costruzione con comportamento ortotropo uniforme, ad esempio, attraverso sistemi di precompressione applicate alle membrane ed in grado di generare componenti con caratteristiche meccaniche nuove.
Oltre a migliorare le proprietà strutturali del tessuto secondo i requisiti definiti in fase di progettazione, è possibile implementare ulteriori classi prestazionali, come la resistenza al fuoco, i parametri ottici, la durabilità nell’ambiente specifico, dei modelli di piegatura distintivi e la quantità di cicli di movimento durante la loro vita utile. In tale scenario, per garantire una struttura adattabile e durevole, diventa di primaria importanza la corretta selezione del materiale da utilizzare, in concomitanza con un design efficace e un adeguato studio dei dettagli. Di solito, sono richiesti test specifici sui materiali per verificare in anticipo le proprietà del materiale “ibrido”, prima che possa essere implementato nel progetto.
Il contributo di innovazione deve essere duplice: in aggiunta alla produzione di materiali ibridi che soddisfano una molteplicità di esigenze, si rendono necessarie nuove metodologie di progettazione e simulazione computazionale. Questi consentono di descrivere le interazioni fisiche nel modo più realistico possibile e di ridurre al minimo il rischio di generare sistemi non efficienti in termini di qualità dei materiali, peso complessivo e costi sostenuti.
“Il massimo dell’integrazione strutturale e funzionale si ottiene quando l’interdisciplinarietà e l’interattività sono alla base dei processi di progettazione”, afferma Julian Lienhard, amministratore delegato e co-fondatore di str.ucture, studio di ingegneria tedesco specializzato nella progettazione strutturale di sistemi tecnologici tessili per l’architettura. La comunicazione è l’essenza della tecnologia leggera e tutte le persone coinvolte inizialmente si riuniscono attorno a un tavolo. “Molti problemi possono essere evitati in anticipo se tutti sono coinvolti nella pianificazione”.
Evidenti sono i vantaggi pratici di un approccio “leggero” allo sviluppo di superfici tessili continue per mezzo di materiali ibridi. Il risparmio in termini di costi segue di pari passo i tempi ridotti di costruzione. “In altre parole: design ed efficienza sono fratelli”, sottolinea Lienhard. Un design efficace, inoltre, innesta a catena tutta una serie di ulteriori benefici: “l’aspetto più importante è che forse la tecnologia leggera consente di risolvere con eleganza sfide complesse”. L’eleganza, in questo caso, si ottiene riducendo al minimo l’input di materiale per ottenere il massimo rendimento.
“Stiamo facendo un lavoro davvero pionieristico sui metodi di simulazione per il settore delle costruzioni, nonché nello sviluppo di strutture flessibili e materiali leggeri”, afferma Lienhard. “Uno dei vantaggi della simulazione digitale integrata è che consente di descrivere le strutture a tutto tondo, con tutti i loro parametri geometrici del materiale e di carico esterno. Le regolazioni possono quindi essere effettuate fino a quando tutti i parametri non sono allineati in modo ottimale tra loro. Ciò consente di simulare il comportamento meccanico e funzionale dei sistemi tecnologici che progettiamo, avvicinandoci il più possibile alla loro realtà fisica e riducendo quindi i requisiti di sicurezza conservativi. Alla fine, tutto è quindi più leggero e, di conseguenza, più sostenibile.”
L’azienda, con sede a Stoccarda, fornisce competenze trasversali, dalla consulenza e pianificazione fino alla gestione dei progetti. Nonostante la giovane età, lo studio vanta una consolidata esperienza nella progettazione di strutture edilizie ad alta efficienza, nonché nello sviluppo e nell’applicazione di materiali innovativi per strutture a membrana. L’infrastruttura IT di str.ucture è progettata per eseguire complesse applicazioni CAD e di calcolo: “programmiamo personalmente miglioramenti e modifiche del software specifici del progetto”, afferma Lienhard.
Uno dei progetti di punta dello studio è la copertura tessile retrattile realizzata nel centro di Buchs, in Svizzera, su una strada commerciale perdonale – la Metzgergasse – che si sviluppa per oltre 50 m su un’area di oltre 500 m2. Il progetto si sposa con la crescente domanda di protezione dalle condizioni atmosferiche per le vie dello shopping e, in generale, per tutti luoghi destinati alla vendita al dettaglio e alla ristorazione. Finora solo i centri commerciali suburbani riescono a fornire una protezione completa dalle intemperie. Per tali ragioni, negli ultimi anni si sta diffondendo la costruzione di strutture mobili a membrana, che rappresentano il risultato di un continuo e graduale sviluppo di sistemi già implementati e ben collaudati.
In fase di progettazione, sono state prese in considerazione condizioni molto diverse tra loro e spesso estreme, come i carichi di vento e neve, la radiazione solare e la resistenza agli eventi sismici. Il componente tessile di una struttura mobile determina infatti una variazione significativa delle condizioni al contorno, non solo per il progetto strutturale del componente stesso, ma anche per la struttura nel suo complesso. Durante la progettazione del sistema di movimentazione della copertura retrattile, sono stati considerati e valutati vari possibili scenari e configurazioni, in modo da assicurarsi che la struttura risultasse stabile e sicura sia nella sua configurazione finale, che in tutte le fasi intermedie. Ad esempio, si rende spesso necessario implementare un sistema di monitoraggio intelligente, collegato direttamente al sistema di controllo della tecnologia di guida, nei casi in cui, durante il movimento della membrana, siano consentiti solo carichi limitati.
Pertanto, ogni progetto rappresenta un unicum e deve essere affrontato in modo diverso per rispondere ad una situazione locale. In generale, per le strutture a membrana precompressa meccanicamente, un tessuto continuo è in grado di piegarsi solo se, durante il processo di retrazione, la distanza tra due punti di appoggio non sarà mai maggiore che nella geometria finale dispiegata. Inoltre, si deve tener conto dell’effetto di compensazione e precompressione della membrana. Di conseguenza, sono possibili diversi principi di movimento per le strutture dispiegabili: sono basati su movimento lineare, movimento radiale o movimenti oscillanti. La combinazione variabile di principi geometrici e tipologie di movimento può così generare sistemi progettati su misura, dall’aspetto unico e non ripetibile in contesti applicativi con condizioni al contorno differenti.
Nell’ideare la copertura della galleria commerciale di Buchs, gli ingegneri di str.ucture hanno lavorato in sinergia con lo studio di architettura arch22, costituendo un unico team di progettazione interdisciplinare. Trovandosi ai piedi che delle Alpi, la sfida principale è stata rappresentata dalla presenza dei forti venti di foehn, tipici della valle del Reno svizzero-austriaca. Per tale motivo, i carichi del vento applicati in fase di progettazione sono stati determinati attraverso precisi esperimenti nella galleria del vento.
Sin dalle prime fasi di progettazione, il team si è orientato alla ricerca di una soluzione su misura che risolvesse in maniera elegante l’esigenza di sviluppare un sistema iperleggero e allo stesso tempo resistente. Il risultato è una struttura ibrida innovativa che, nella configurazione chiusa, viene impacchettata e raccolta all’estremità settentrionale della strada, presentandosi come un arco d’ingresso. Nella configurazione aperta, invece, la membrana assume una forma ondulata, pronunciata da creste e avvallamenti che si attestano ad un’altezza media di 6,50 m dalla quota stradale.
La copertura può essere aperta e chiusa longitudinalmente in pochi minuti, mediante un sistema meccanizzato sviluppato lungo 4 binari paralleli. Durante il dispiegamento, le cinghie in poliestere, cucite nel tessuto come rinforzo di bordo e colmo, creano un sistema tessile precompresso in entrambe le direzioni, che garantisce una buona resistenza ai carichi del vento, così come dimostrato in fase di ingegnerizzazione dalle simulazioni condotte. In questo sistema precompresso, la sfida principale consisteva nel processo di fabbricazione con cui i comportamenti non lineari della membrana e delle cinghie dovevano essere allineati nei loro rapporti di compensazione. Al fine di garantire la precompressione richiesta per la membrana e per le cinghie nello stato di installazione finale, sono state testate più tipologie di materiali e giunzioni, con l’obiettivo di trovare la corrispondenza migliore e garantire un comportamento ortotropo uniforme al sistema ibrido.
La membrana selezionata è in politetrafluoroetilene (PTFE) puro, in modo da soddisfare i più elevati standard strutturali e visivi: infatti il materiale è chimicamente inerte, resistente ai raggi UV e non sbiadisce, presentando un colore naturale bianco che si mantiene nel tempo. Il tessuto, prodotto dell’azienda svizzera SEFAR, è caratterizzato da un’altissima traslucenza (pari a circa il 38%) e corrisponde esteticamente e qualitativamente ai più elevati standard disponibili. Il materiale è altamente resistente alle imperfezioni e al degrado, superando di gran lunga tutti gli altri tessuti tecnici e risultando particolarmente adatto a contesti urbani. Le luci a LED, incorporate nella membrana, forniscono inoltre un’adeguata illuminazione notturna della strada sottostante.
Il progetto ha innescato una serie di vantaggi economici significativi per i commercianti e gli operatori dell’intero quartiere, considerando che, anche in caso di maltempo, lo spazio pubblico è completamente disponibile e può essere utilizzato come luogo di incontro o per organizzare eventi. Ciò dimostra ulteriormente come, in architettura, le sfide odierne derivino da relazioni sempre più complesse di condizioni al contorno, che spesso riguardano non solo gli aspetti ambientali, ma anche quelli sociali ed economici.
DATI DI PROGETTO
Posizione: Buchs (Canton San Gallo), Svizzera
Cliente: Alliva AG, Mauren
Dimensioni: 53mx10,4m
Superficie coperta: 525m²
Tempo di movimentazione: 5min
Progettazione: Aprile – Luglio 2014
Costruzione: Novembre 2014
Inaugurazione: Dicembre 2014
General Planning:
Architettura: Kaundbe AG
Ingegneria: Ferdy Kaiser AG
Progettazione della copertura a membrana:
Architettura: Nikolia Kugel arch22
Ingegneria: str.ucture GmbH
Galleria del vento: Wacker Engineers
Membrana: Sefar TENARA Fabric 4T40HF
Confezionamento membrana: A. Arnegger GmbH
Carpenteria metallica: Heinrich Rohlfing Stahlbau GmbH / Tuchschmid AG
Opere elettriche: Kolb Elektro SBW AG
