Strutture a membrana e a rete
Michelangelo Laterza – Principi e Sistemi Strutturali per l’Architettura
Strutture a membrana e a rete
Una membrana è una superficie sottile e flessibile che regge i carichi attraverso sforzi di
trazione.
Per illustrare sia la natura della membrana che il suo comportamento un esempio classico è
la bolla di sapone.
In una membrana, il meccanismo basilare
di trasferimento dei carichi è la trazione.
Una membrana che porta un carico
perpendicolare alla sua superficie tende a
deformarsi dando luogo ad una superficie
tridimensionale (la cui forma dipende
dalle precise condizioni di carico e di
vincolo) che è in grado di sostenere il
carico per mezzo delle forze di trazione
che si sviluppano nel suo piano tangente.
Le reti sono concettualmente simili, eccetto per il fatto che non costituiscono una
superficie continua e sono costituite da funi. I1 meccanismo di trasferimento dei carichi è
simile a quello di un sistema di funi incrociate.
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Strutture a membrana
Oltre agli sforzi di trazione, si sviluppano all'interno della superficie della membrana anche
sforzi tangenziali, associati alla torsione attorno ad un asse ortogonale al piano tangente,
normalmente presente in una superficie curva, che contribuiscono a reggere il carico
applicato.
L'azione delle trazioni e del taglio danno luogo ad una struttura di superficie che può
portare i carichi secondo un meccanismo di funicolare, almeno fintanto che i carichi
applicati non causino la nascita di sforzi di compressione, che si manifestano per mezzo di
pieghe nella membrana.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche
Quando la membrana racchiude un volume è possibile stabilizzarla per mezzo della
pressurizzazione interna. Tutta una categoria di strutture membranali, denominate
strutture pneumatiche, ottiene la propria stabilità in questo modo.
L'otre per l'acqua, ad esempio, è un tipo di struttura pneumatica nota dai tempi antichi. Le
origini delle strutture pneumatiche correntemente utilizzate nel campo delle costruzioni,
tuttavia, sono da ricercarsi nelle mongolfiere e nei dirigibili comparsi recentemente.
Vi sono due classi principali di strutture pneumatiche:
Strutture sostenute dall’aria
Strutture gonfiate con l’aria
In entrambi i tipi di struttura la pressione dell’aria induce sforzi di trazione nella
membrana mentre le forze esterne ne causano una riduzione.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche: strutture sostenute dall’aria
Una struttura sostenuta dal1'aria consiste di
una singola membrana (racchiudente uno
spazio funzionalmente utile) sostenuta da un
piccolo differenziale di pressione tra interno ed
esterno. Tutto il volume interno della
costruzione è pertanto mantenuto ad una
pressione leggermente superiore a quella
atmosferica esterna tale da non creare disturbo
alle persone.
Poiché i carichi esterni sono abitualmente piuttosto piccoli, le pressioni interne
richieste possono analogamente essere piccole.
L'immagine corretta di una struttura sostenuta dall'aria è più quella di una
sacco pieno d'aria a bassa pressione, piuttosto che quella di un pneumatico
automobilistico ad alta pressione.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche: strutture gonfiate dall’aria
In una struttura gonfiata con aria, l'aria pressurizzata viene utilizzata per
gonfiare delle forme (ad es. archi, muri, pilastri) che costituiscono l'involucro
dell'edificio.
Vi sono due tipi principali di strutture gonfiate con aria di utilizzo comune: le
strutture a membrane parallele e le strutture con nervature.
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Strutture pneumatiche
Strutture a membrana
Le strutture gonfiate con aria, in generale, tendono a richiedere un grado di
pressurizzazione più alto di quanto non facciano le strutture sostenute all'aria.
Questo perché la pressurizzazione interna non può
essere utilizzata direttamente per bilanciare il carico
esterno, ma viene utilizzata per ottenere
configurazioni strutturali che sopportano il carico in
un modo più tradizionale.
Una piastra gonfiata fornisce un certo grado di
libertà nella progettazione dello spazio funzionale
che copre.
Il sistema sostenuto dall'aria deve essere attrezzato
con valvole per la tenuta dell'aria ed altre
apparecchiature
di
mantenimento
della
sovrappressione interna. I1 sistema sostenuto
dall'aria deve anche avere un sistema di ancoraggio
ai lati che leghi in modo sicuro la membrana al
terreno, prevenendo anche le fughe d'aria.
La piastra gonfiata con l'aria può, invece, essere
utilizzata assieme a degli appoggi più semplici.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche sostenute dall’aria
Condizioni di carico
La neve raramente si accumula sino raggiungere spessori elevati a causa della
forma curva assunta.
I carichi concentrati di rilievo, che inducono forti concentrazioni di sforzi, vanno
evitati a tutti i costi, e quando sono presenti è necessario scegliere altri tipi di
struttura; tuttavia, carichi concentrati di minore entità, come una persona che
cammina su un tetto, raramente causano grossi problemi.
I carichi dovuti al vento sono spesso un
problema notevole. L'angolo di incidenza tra
la direzione del vento e la superficie della
membrana determina la nascita sia di sole
pressioni che di pressioni combinate a
depressioni (suzioni).
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche sostenute dall’aria
Sforzi membranali dovuti alla pressione interna
Nell'anello si sviluppano delle forze di trazione che possono essere trovate
considerando l'equilibrio alla traslazione, dopo aver sezionato l'anello con un piano
passante per uno dei diametri (pr =forza per unità di superficie).
Gli sforzi si calcolano tenendo conto dello spessore t della membrana (L è una
lunghezza unitaria) :
f = T/tL
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche sostenute dall’aria
Condizioni di vincolo
Le fondazioni devono essere progettate per resistere sia alle forze di sollevamento
che alle forze orizzontali conseguenti al comportamento a membrana.
Per strutture di dimensioni maggiori, un accorgimento frequentemente utilizzato è
un anello di contenimento alla base.
Per una struttura a basso profilo, le
componenti
orizzontali
delle
reazioni della membrana sono
dirette verso l'interno. In questo caso
l'anello di contenimento sarebbe
compresso.
In strutture più alte i vincoli sono soggetti a forze verso l’alto e verso l’esterno
(anello teso).
Per ridurre le flessioni è opportuno conferire all’anello una forma funicolare.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche sostenute dall’aria
Profilo
A parità di p sembrerebbe che le strutture ottenute da segmenti di sfera a profilo
elevato, con piccolo raggio di curvatura, siano preferibili, in termini di forza di
trazione TN, a strutture formate da segmenti di sfera a profilo ribassato, con
raggio di curvatura elevato. Inoltre, le strutture a profilo ribassato sviluppano
reazioni vincolari maggiori ed hanno pertanto bisogno di anelli di compressione
di dimensioni maggiori.
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche sostenute dall’aria
Profilo
Uno svantaggio consiste nel fatto che una struttura a profilo alto racchiude un
volume maggiore all'interno dell'edificio, rispetto al caso delle strutture a profilo
ribassato, e c'è pertanto una maggiore richiesta per i sistemi meccanici che
devono assicurare le condizioni di conforto termico per gli occupanti.
E’ possibile creare una condizione tale per cui
l'effetto del vento sia unicamente di suzione.
Le forze del vento sostengono il tetto,
piuttosto che spingerlo verso il basso. I valori
di progetto della pressione interna ne sono
influenzati favorevolmente.
Pressione
La pressione interna deve essere sufficientemente elevata in modo da impedire
alla superficie della membrana di piegarsi, qualsiasi sia la combinazione dei
carichi esterni applicati (le sovrappressioni interne tipicamente sono dell’ordine
di 10 hPa).
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Strutture a membrana
Strutture pneumatiche gonfiate con aria
Le strutture che utilizzano elementi
gonfiati con aria trasferiscono i
carichi a terra in un modo molto più
tradizionale. Elementi comuni, come
travi, colonne o archi, vengono resi
rigidi
per
mezzo
della
pressurizzazione interna.
Per effetto dei carichi agenti gli sforzi
di trazione originariamente presenti
lungo la parte superiore vengono
ridotti e quelli lungo la superficie
inferiore aumentati.
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Strutture a membrana
Altre considerazioni
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Strutture a rete ed a tenda
Curvature
Le
sollecitazioni
nelle
superfici deve essere sempre
di trazione.
In generale, nelle membrane devono
essere evitate ampie zone piatte,
poiché sarebbero necessarie forze di
presollecitazione
elevate
per
mantenere stabili queste aree qualora
vengano applicati carichi in direzione
ad esse perpendicolare.
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Strutture a rete
Materiali
I materiali di utilizzo comune comprendono vari tipi di poliestere ricoperto di
PVC, fibra di vetro ricoperta di Teflon, o fibra di vetro ricoperta di silicone.
Nei poliesteri ricoperti di PVC, il poliestere di base è resistente ma è soggetto a
degrado nel tempo. Il PVC è poco costoso, resistente al fuoco, e può essere
giuntato facilmente per mezzo di saldature. Le superfici tuttavia perdono
facilmente il colore, e si sporcano. La vita di questi materiali è limitata (circa 10
anni). I rivestimenti in teflon hanno migliore resistenza al degrado ma sono
facilmente oggetto di abrasione.
I materiali di recente produzione, ricoperti al silicone, hanno una migliore
durabilità, e possono essere collegati attraverso incollaggio; tuttavia, i costi
iniziali sono piuttosto elevati.
Le membrane possono essere rinforzate con tiranti inclusi al loro interno. E’
possibile anche ottenere vari tipi di tessuto rinforzati con fibra di vetro.
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