L'EDIFICIO: LE STRUTTURE PORTANTI

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OBIETTIVI DI QUESTA LEZIONE
comprendere l'evoluzione nel tempo delle unità abitative e dei sistemi costruttivi
Comprendere il concetto di struttura
Saper osservare e riconoscere i diversi tipi di struttura
Ipotizzare le conseguenze della scelta di una struttura

COSA DEVI RICORDARE?

Le diverse sollecitazioni a cui possono essere soggetti i materiali
Le proprietà meccaniche dei materiali

le strutture edilizie

INDICE
1.IL SISTEMA TRILITICO
2.IL SISTEMA AD ARCO O ARCHIVOLTATO
3.LA CAPRIATA
4.IL TELAIO

Ogni volta che ci soffermiamo a osservare un oggetto, un animale, un albero, possiamo notare, oltre alla forma, al colore e alle dimensioni, la capacità che hanno di reggersi, cioè di sopportare il proprio peso senza crollare. Ogni elemento, naturale o costruito, possiede una struttura che gli permette di resistere al proprio peso e ad altre sollecitazioni cioè all’insieme delle forze esterne che agiscono sull’elemento stesso.

scheletro e struttura
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 e dai carichi accidentali, cioè dal peso di tutto ciò che le sta sopra. Sono carichi accidentali le pareti non strutturali, i mobili, le persone (se si tratta di un edificio), le auto e i camion nel caso di strutture stradali ecc. A questi vanno aggiunte Il peso proprio e quello accidentale provocano pressioni o spinte a cui la struttura e i materiali devono resistere. Le principali sollecitazioni che agiscono su una struttura sono: la compressione, la trazione, la flessione, il taglio.

struttura portante (in rosso) e struttura portata
i diversi tipi di sollecitazioni
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.

LE STRUTTURE PIÙ SEMPLICI
L’uso di tre bastoni uniti tra loro per l’estremità superiore ha permesso di realizzare una struttura semplicissima, ma perfettamente equilibrata, come la tenda indiana o quella lappone, che offrono il vantaggio di una notevole rapidità di montaggio e di utilizzo. 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 sono formate da pali, i puntoni, e funi, i tiranti.

Nel sistema la fune, tesa agli estremi, con il suo peso genera una curva detta catenaria ed è resistente alla trazione; i puntoni invece resistono alla compressione.

tende indiane
un tendone da circo. Si notano le funi che contribuiscono alla stabilità della struttura

 1.IL SISTEMA TRILITICO

Popoli più sedentari hanno sviluppato, invece, sistemi strutturali diversi e caratterizzati da una maggiore stabilità.
Uno dei più semplici, almeno nella concezione iniziale, è il sistema trilitico, formato da tre elementi in equilibrio.

un dolmen
I due verticali chiamati piedritti (pilastri, se a sezione quadrate o colonne, se a sezione circolare) hanno il compito di assorbire il peso della parte superiore della struttura e trasmetterlo al terreno e sono sottoposti generalmente a sollecitazioni di compressione; l’elemento orizzontale, l’architrave (o trave), è poggiato sui piedritti e ha anch’esso il compito di reggere il peso della struttura superiore che però, in questo caso, agisce perpendicolarmente al suo asse longitudinale: dunque il materiale che compone la trave verrà sottoposto, nella parte superiore, a una compressione, e nella parte inferiore a una trazione; la trave è quindi sottoposta a uno sforzo di flessione. 
funzionamento del sistema trilitico
Questo sforzo fa sì che la trave tenda a spaccarsi al centro, per cui diventa necessario utilizzare materiali resistenti a questo tipo di sollecitazione, come delle travi di legno, oppure a ridurre la distanza tra i piedritti (chiamata luce).
Il sistema trilitico è stato molto usato a partire dai monumenti preistorici e, successivamente nell’architettura greca e romana, evolvendosi nelle strutture in muratura portante che ancora oggi vengono utilizzate.

il tempio greco di Paestum, dove è possibile leggere gli elementi della struttura trilitica

2.IL SISTEMA AD ARCO O ARCHIVOLTATO

L’arco rappresenta l’evoluzione del sistema costruttivo trilitico.
Nell’arco sono ancora presenti alcuni elementi della primitiva struttura trilitica; ritroviamo, infatti, i piedritti, che non sorreggono più un elemento orizzontale, ma una struttura curva formato da elementi di forma trapezoidale, i conci, chiusi da un altro concio centrale, chiamato chiave di volta. Nell’arco i carichi della struttura superiore si distribuiscono dalla chiave di volta sugli elementi adiacenti e questi li distribuiscono su quelli adiacenti a loro. Tutti gli elementi dell’arco lavorano così a compressione, fino a scaricarsi sugli elementi verticali della struttura che ricevono, invece, una spinta inclinata che tende a ribaltarli.

gli elementi della struttura archivoltata
È molto importante, quindi, che i muri laterali siano molto robusti, lavorando sul loro spessore, come ha fatto l’architettura romana e quella romanica oppure riducendo la spinta di ribaltamento con l’utilizzo di archi a sesto acuto e, contemporaneamente, aumentando il peso dei piedritti con statue, pinnacoli e archi sovrapposti, come ha fatto l’architettura gotica.

uso dell'arco nell'architettura romana: gli acquedotti
l'arco nell'architettura gotica: archi rampanti,contrafforti e pilastri permettono di aumentare la stabilità dell'arco senza aumentare la dimensione dei piedritti
Anche in questo caso le strutture, dapprima semplici, si sono evolute generando sistemi più complessi diventando multiple e infine più complesse come le strutture a volta (ottenuto con più archi in successione) e quelle a cupola (ottenute dalla rotazione di un arco intorno al proprio asse) in grado di coprire spazi molto vasti.

copertura a volta: basilica di Sant'Andrea a Mantova
copertura a cupola: Pantheon a Roma

Breve documentario in due parti sull'innovazione introdotta dal sistema archivoltato




3.LA CAPRIATA



La capriata è una struttura elementare e indeformabile che trae origine dal triangolo e serve a sorreggere i tetti di molti edifici. La struttura triangolare è formata essenzialmente da due travi inclinate, i puntoni. Questi, sottoposti a compressione per effetto del peso sovrastante, tenderebbero a scorrere orizzontalmente e a far scivolare la struttura; collegandoli invece al terzo elemento, una trave orizzontale chiamata catena a sua volta sottoposta a sforzi di trazione, le spinte orizzontali sui muri vengono completamente eliminate e il peso superiore viene trasferito sui muri laterali essenzialmente come carichi di compressione. La capriata è completata, a volte, da altri elementi: il monaco e i saettoni, che irrobustiscono ulteriormente la struttura e contengono le deformazioni dovute all’invecchiamento delle capriate in legno.

gli elementi che compongono la capriata

applicazione della capriata: navata della chiesa di Santa Maria in Umbria (XIII sec. )

4.IL TELAIO

il telaio
il sistema a telaio è la struttura portante oggi più usata, essa deriva dal sistema trilitico quindi è formato dalle sue stesse parti. l telaio più semplice, detto portale, è infatti costituito da un elemento orizzontale (trave o corrente) e da due elementi verticali (montanti o pilastri) uniti saldamente in una struttura rigida e indeformabile di grande resistenza, in quanto il suo comportamento monolitico (cioè simile a quello di un oggetto unico e non composto da elementi separati) gli consente di resistere ugualmente bene a carichi sia verticali sia orizzontali. Dal portale semplice si può passare al doppio e quindi a strutture tridimensionali, con aumento progressivo della resistenza d'insieme, per la continuità che si stabilisce tra un numero sempre maggiore di elementi.
telaio tridimensionale
Le strutture a telaio lavorano prevalentemente in condizioni di flessione, compressione e pressoflessione, una sollecitazione mista di compressione e flessione, per questo i materiali più utilizzati sono calcestruzzo armato o acciaio.
Infatti, sotto l'azione di forze verticali la trave si flette, provocando la rotazione dei pilastri e tutte le parti del telaio risultano sollecitate sia a flessione sia a compressione. Nel caso, invece, di forze orizzontali, la continuità della struttura fa sì che parte del carico venga trasmessa anche ai pilastri che non sono direttamente sollecitati, quindi tutta l struttura si deforma, ma i pilastri non si ribaltano la trave non scorre.