Strutture reticolari: innovazione e stabilità per l’architettura moderna

Cosa sono le strutture reticolari in ambito edilizio? Tutto su: struttura, vantaggi, esempi famosi di costruzioni

Le strutture reticolari, in ambito edilizio, rappresentano una delle soluzioni più avanzate e flessibili per la progettazione di coperture e sistemi di grandi dimensioni. Questi sistemi sono caratterizzati da un insieme di aste, generalmente in acciaio o legno, connesse tra loro a formare un insieme di triangoli, garantendo un’elevata capacità portante e una distribuzione uniforme dei carichi. Di seguito, un approfondimento tecnico dettagliato sulle caratteristiche, i vantaggi e le applicazioni delle strutture reticolari.

Cosa si intende per strutture reticolari?

Le strutture reticolari o strutture reticolari spaziali si fondano su 2 aspetti principali che interagiscono tra loro in modo sinergico: la geometria e la ripetitività. La geometria, concepita come la forma, rappresenta l’insieme delle leggi che regolano l’aggregazione nello spazio di solidi elementari, combinati tra loro. Essa definisce i rapporti tra i vari elementi (angoli e spigoli) necessari per costruire poliedri, che possono essere più o meno complessi, regolari o irregolari, e che possono essere inscritti in altri solidi più semplici o derivare da intersezioni tra questi. Inoltre, stabilisce i parametri necessari per identificare il solido di base, che è anch’esso un poliedro, definendo così il modulo. La geometria è quindi la forza generatrice sia del modulo di base che delle forme complesse che ne derivano.

La ripetitività, invece, non solo regola la quantità di moduli che si ripetono nello spazio, ma ne determina anche il ritmo e la frequenza, dando vita a una composizione infinita ed armonica di forme, che rispettano rigorosi principi geometrici.

Nei reticoli spaziali, i poliedri non vengono visti come solidi tridimensionali, ma vengono rappresentati tramite “aste” e “nodi”: le aste corrispondono agli spigoli, mentre i nodi ai vertici. In questo modo, ogni punto di intersezione tra le aste rappresenta un nodo e viceversa. Le facce dei poliedri possono essere suddivise in elementi triangolari, formati da aste e nodi. Molti poliedri possono essere inscritti in altri, oppure risultano dalla loro intersezione. In questo contesto, sono principalmente rappresentati i poliedri regolari più utilizzati.

L’uso di software calcolo strutturale e progettazione ha notevolmente semplificato la gestione e la rappresentazione di queste geometrie, che diventano molto più complesse quando le facce dei poliedri sono tridimensionali e ulteriormente suddivise in poliedri più elementari. Il disegno in 3D di una struttura modulare tramite il software è fondamentale nella progettazione delle strutture reticolari spaziali, poiché consente di verificare rapidamente la distribuzione e il controllo di tutti gli elementi (aste e nodi) che compongono la struttura.

Chi ha inventato la struttura reticolare?

Le strutture reticolari spaziali hanno origine con le prime intuizioni di August Föppl, che nel 1880 pubblicò la sua teoria sui sistemi reticolari spaziali, delineando le basi teoriche e pratiche di queste strutture. Il suo lavoro culminò con la pubblicazione del libro Das Fachwerk in Raume nel 1891, ispirato anche dal crollo del ponte di Birs vicino a Munchenstein. In seguito, Robert Le Ricolais, ingegnere francese, intuì le potenzialità delle reticolari a doppio strato, osservando come alcune forme naturali utilizzino simili configurazioni per minimizzare gli sforzi interni. Tra gli innovatori, Alexander Graham Bell sperimentò con modelli basati sul tetraedro, introducendo i primi collegamenti asta-nodo. Negli anni ’50, Richard Buckminster Fuller contribuì in modo significativo con le sue cupole geodetiche, unendo concetti scientifici e filosofici.

Strutture reticolari e tensostrutture

Le strutture reticolari e le tensostrutture sono due tipologie di sistemi costruttivi che trovano ampio impiego nell’ingegneria civile e nell’architettura contemporanea grazie alla loro capacità di coprire grandi luci con un utilizzo efficiente dei materiali.

Le tensostrutture sono basate sull’uso della tensione come forza portante principale. Queste strutture si avvalgono di elementi flessibili come cavi d’acciaio e membrane tessili che lavorano in trazione, mentre gli elementi rigidi, come pilastri o archi, servono per ancorare e sostenere i cavi. Le tensostrutture sono caratterizzate da un’elevata efficienza materiale, poiché la tensione distribuita consente di coprire ampie superfici con un minimo impiego di materiali. Esempi comuni includono coperture di stadi, tende da circo e padiglioni temporanei.

Le strutture reticolari usano elementi rigidi come acciaio o legno, mentre le tensostrutture fanno largo uso di materiali flessibili e leggeri. Le reticolari sono autoportanti grazie alla loro geometria, mentre le tensostrutture si basano sulla tensione per mantenere la forma e la stabilità. Le tensostrutture offrono maggiore flessibilità nel design e un’estetica leggera e trasparente, mentre le strutture reticolari sono più adatte per configurazioni modulari e rigide.

Strutture reticolari a due o più strati e monostrato

Le strutture reticolari spaziali possono essere suddivise in 2 categorie: a due o più strati e monostrato. Le strutture reticolari spaziali a due o più strati sono formate da grigliati costituiti da aste e nodi, derivanti dall’aggregazione di moduli di base di forma tetraedrica. La ripetizione di questi tetraedri nello spazio, siano essi regolari o irregolari, genera un’infinità di geometrie.

Le strutture reticolari spaziali monostrato, invece, sono costituite da grigliati formati da aste e nodi ottenuti dall’aggregazione di moduli triangolari, disposti in modo da formare superfici quadriche, con i nodi perimetrali vincolati esternamente. Sono quindi escluse da questa categoria le strutture a guscio monostrato “aperte”, in cui i nodi perimetrali non sono tutti vincolati esternamente, poiché queste definiscono configurazioni staticamente instabili, come ad esempio le volte a vela, a botte o a crociera monostrato non chiuse alle estremità, gusci a membrane molto ribassati con appoggi puntuali limitati ai soli nodi angolari e strutture piane o non discretizzate in triangoli.

La tipologia di ogni struttura reticolare spaziale, sia a uno strato che a due, dipende dalla suddivisione in moduli elementari della superficie desiderata, che può essere sia curva che piana. Pertanto, è fondamentale per la configurazione finale della struttura l’individuazione geometrica e dimensionale del modulo base, il numero di moduli, la loro disposizione e le variazioni angolari tra gli elementi.

Le strutture reticolari spaziali regolari a doppio strato, conosciute anche come piastre, più comunemente utilizzate, si suddividono in due tipologie principali: quelle derivate dall’aggregazione di tetraedri regolari e quelle formate da tetraedri intervallati da semiottaedri regolari.

Strutture reticolari piane a modulo tetraedico regolare

Queste strutture sono caratterizzate da reticoli spaziali con una forma esagonale, dove le aste, tutte della stessa lunghezza, formano triangoli equilateri su due piani paralleli. Le aste del piano superiore sono connesse a quelle del piano inferiore attraverso aste di parete della stessa lunghezza, in modo che i vertici dei triangoli nel piano superiore corrispondano ai baricentri dei triangoli nel piano inferiore, creando due reticoli piani sfalsati. I vari tetraedri sono disposti in modo che condividano uno spigolo.

Piastre piane a modulo tetraedico regolare con semiottaedri interposti

Queste strutture spaziali a doppio strato si caratterizzano per la definizione di reticoli piani i cui due piani, superiori e inferiori, sono quadrati sfalsati. I nodi del quadrato nel reticolo superiore corrispondono ai centri delle diagonali dei quadrati nel reticolo inferiore. La struttura è generata da una serie di semiottaedri che condividono uno spigolo del quadrato di base, formando così tetraedri tra di loro.

Quali vantaggi presentano le strutture reticolari?

Le strutture reticolari offrono numerosi vantaggi che le rendono particolarmente apprezzate in ambito edilizio, specialmente per la realizzazione di coperture e spazi di grandi dimensioni. Approfondiamo ora i principali vantaggi tecnici delle strutture reticolari.

Elevata efficienza strutturale

Le strutture reticolari sono progettate in modo tale che le aste lavorino prevalentemente a trazione o compressione, riducendo al minimo le sollecitazioni di flessione e taglio. Questo comportamento permette di sfruttare al meglio le caratteristiche meccaniche dei materiali, garantendo un’elevata capacità di carico con un uso relativamente ridotto di materiale. La distribuzione dei carichi avviene in maniera uniforme attraverso una rete di elementi collegati, evitando concentrazioni di tensioni in punti singolari e riducendo i rischi di cedimento locale.

Peso ridotto

Grazie alla configurazione a maglia e alla disposizione delle aste, le strutture reticolari riescono a coprire grandi luci con un peso strutturale contenuto. Questo è un vantaggio significativo poiché consente di minimizzare i costi legati ai materiali e alle fondazioni, riducendo l’impatto delle strutture portanti necessarie a sostenere l’intera costruzione. Il peso ridotto è particolarmente importante nelle applicazioni in cui la leggerezza contribuisce alla sicurezza sismica, poiché le forze sismiche agiscono proporzionalmente alla massa della struttura.

Modularità e facilità di montaggio

Le strutture reticolari possono essere realizzate attraverso moduli prefabbricati che vengono assemblati direttamente in cantiere. Questa modularità semplifica il processo di costruzione, poiché i singoli elementi possono essere prodotti in serie e assemblati rapidamente, riducendo i tempi di costruzione e i costi associati. L’assemblaggio modulare permette inoltre di espandere o modificare la struttura con relativa facilità, offrendo una grande flessibilità progettuale.

Distribuzione ottimale dei carichi

Un tratto distintivo delle strutture reticolari è la loro capacità di distribuire i carichi applicati su una vasta area di aste e nodi. Questo comporta che ogni elemento della struttura sopporta una parte limitata del carico totale, consentendo una progettazione che minimizza l’utilizzo di materiali sovradimensionati. Inoltre, le strutture reticolari a doppia o tripla curvatura migliorano ulteriormente la distribuzione delle forze, aumentando la stabilità e la capacità di resistenza a carichi variabili, come vento e neve.

Adattabilità e flessibilità progettuale

La progettazione con strutture reticolari permette di creare forme complesse e leggere, che possono essere adattate a esigenze architettoniche particolari. La possibilità di integrare curve, angoli e forme tridimensionali rende queste strutture ideali per edifici iconici come stadi, aeroporti, auditorium e padiglioni espositivi. L’uso di software di modellazione avanzata permette di simulare con precisione il comportamento strutturale, supportando gli architetti e gli ingegneri nella creazione di progetti innovativi e al tempo stesso funzionali.

Resistenza ai carichi dinamici e sismici

Grazie alla loro configurazione leggera e alla capacità di distribuire i carichi, le strutture reticolari offrono una buona resistenza alle sollecitazioni dinamiche, come quelle indotte da eventi sismici. La maglia reticolare è in grado di dissipare le forze attraverso i vari nodi e aste, evitando che singoli elementi si trovino sovraccaricati e, di conseguenza, soggetti a rottura. Inoltre, la maggiore leggerezza rispetto ad altre tipologie di coperture contribuisce a ridurre le forze d’inerzia durante un sisma.

Efficienza dei materiali

Le strutture reticolari sono progettate per massimizzare l’uso dei materiali. Questo significa che ogni elemento della struttura è utilizzato in modo da operare nelle condizioni più favorevoli, con sforzi prevalentemente assiali (compressione o trazione). La conseguenza è una maggiore efficienza strutturale rispetto a sistemi che devono sopportare anche flessione significativa. L’ottimizzazione nella distribuzione dei materiali si traduce in un minor impatto ambientale e in una riduzione dei costi di costruzione.

Manutenzione e durata

Le strutture reticolari, specialmente quelle realizzate in acciaio o leghe resistenti alla corrosione, presentano una lunga durata nel tempo con una manutenzione relativamente ridotta. L’uso di materiali trattati con protezioni contro la corrosione e l’applicazione di vernici o rivestimenti specifici garantiscono una buona resistenza agli agenti atmosferici. La disposizione a rete delle aste facilita inoltre l’individuazione e l’accesso alle parti per eventuali interventi di manutenzione.

Economicità

Sebbene la progettazione iniziale di una struttura reticolare possa richiedere più tempo e risorse rispetto ad altre soluzioni, i benefici complessivi superano spesso i costi iniziali. Il minor peso strutturale comporta una riduzione dei carichi sulle fondazioni e quindi una diminuzione dei costi relativi. La modularità e la prefabbricazione possono contribuire a ridurre ulteriormente le spese complessive, rendendo le strutture reticolari un’opzione competitiva per progetti di grande scala.

Strutture reticolari: alcuni esempi

Le strutture reticolari sono state utilizzate in numerosi progetti iconici e funzionali in tutto il mondo. Ecco alcuni esempi concreti che mostrano l’ampia gamma di applicazioni e il potenziale delle strutture reticolari in ambito edilizio:

Torre Eiffel, Gustave Eiffel (Parigi)

Il celebre emblema di Parigi è, in sostanza, una grande struttura reticolare. La torre è costituita da una robusta rete metallica a maglie triangolari, progettata per ridurre l’area esposta al vento e limitare la superficie su cui questo può esercitare la propria pressione. La progettazione è stata condotta con un’attenta analisi fisica e geometrico-matematica per ottimizzare la distribuzione degli sforzi a cui la struttura è sottoposta.

Stadio Olimpico di Monaco di Baviera (Germania)

Costruito per le Olimpiadi del 1972, lo Stadio Olimpico di Monaco di Baviera è un esempio iconico di utilizzo di una struttura reticolare. La copertura dello stadio è composta da una rete di cavi e una membrana trasparente che forma una struttura reticolare a doppia curvatura, creando un effetto visivo leggero e dinamico. Questa struttura ha dimostrato come le reticolari possano essere impiegate per grandi coperture con un design innovativo e funzionale.

The Eden Project (Regno Unito)

L’Eden Project in Cornovaglia è un complesso di serre a cupola geodetica, una delle forme più emblematiche di struttura reticolare. Le cupole, realizzate con un sistema di aste in acciaio e pannelli esagonali e pentagonali, creano un ambiente controllato per ospitare varie specie vegetali. Questo esempio dimostra l’efficacia delle strutture reticolari nella costruzione di grandi spazi chiusi, leggeri e resistenti, capaci di coprire superfici senza supporti interni.

Louvre di Abu Dhabi (Emirati Arabi Uniti)

Il Louvre di Abu Dhabi, progettato dall’architetto Jean Nouvel, presenta una spettacolare copertura a reticolo costituita da un intreccio di acciaio che crea un effetto di “pioggia di luce”. La struttura reticolare del tetto ha un diametro di circa 180 metri ed è progettata per distribuire uniformemente i carichi, conferendo al contempo un’estetica unica. Questa applicazione mostra come le reticolari possano combinare funzionalità strutturale ed elementi architettonici distintivi.

Stadio Allianz Arena (Monaco di Baviera, Germania)

L’Allianz Arena è un esempio di struttura reticolare utilizzata in combinazione con elementi di facciata leggeri. La struttura portante reticolare, formata da una rete di aste in acciaio, sostiene una copertura gonfiabile composta da cuscini di ETFE (un polimero trasparente). Questa configurazione offre resistenza ai carichi esterni, inclusi vento e neve, ed è progettata per resistere a sollecitazioni dinamiche.

The Beijing National Aquatics Center (Cina)

Conosciuto anche come “Water Cube”, il Beijing National Aquatics Center è un esempio di struttura reticolare tridimensionale realizzata con una combinazione di aste in acciaio che formano un reticolo ispirato alla struttura delle bolle. Questa forma innovativa offre sia una funzione estetica che strutturale, supportando la copertura e le pareti dell’edificio con una distribuzione uniforme dei carichi. Il design reticolare contribuisce alla resistenza sismica e all’efficienza dei materiali.

O2 Arena (Londra, Regno Unito)

L’O2 Arena è una delle più grandi strutture reticolari del mondo, composta da una cupola geodetica con una struttura di acciaio reticolare. La copertura a reticolo è supportata da 12 pilastri, creando un vasto spazio libero da colonne centrali. Questa struttura è un esempio di come le reticolari possano essere utilizzate per coprire ampi spazi, mantenendo al contempo un design robusto e leggero.

Tetto dell’Aeroporto Internazionale di Denver (USA)

Il tetto dell’Aeroporto Internazionale di Denver è costituito da una struttura reticolare leggera con una copertura in tessuto architettonico. Questo design, che richiama le cime montuose circostanti, utilizza una combinazione di aste in acciaio e cavi di tensione per creare una forma a tenda. La struttura reticolare è progettata per sopportare le forti nevicate e i venti tipici della regione, mantenendo al contempo una configurazione esteticamente piacevole.

The Glass Pyramid del Museo del Louvre (Parigi, Francia)

La Piramide di vetro del Louvre, progettata dall’architetto Ieoh Ming Pei, è sostenuta da una struttura reticolare in acciaio e alluminio. Sebbene sembri una struttura semplice, il reticolo interno consente di mantenere la stabilità e la distribuzione del peso del vetro, creando una piramide trasparente e leggera che funge da ingresso iconico al museo.

Il Terminal 5 dell’Aeroporto di Heathrow (Regno Unito)

Il Terminal 5 dell’Aeroporto di Heathrow utilizza una struttura reticolare per la sua copertura principale. Le travi reticolari in acciaio permettono di creare un ampio spazio interno senza pilastri intermedi, migliorando l’esperienza dei passeggeri e ottimizzando la distribuzione dei carichi. Questo terminal è un esempio di come le reticolari possano essere impiegate per infrastrutture di trasporto, garantendo stabilità e resistenza con un design moderno.

Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/strutture-reticolari-innovazione-e-stabilita-per-l-architettura-moderna/