Tensostrutture e grandi coperture in membrana per l’Architettura
LEGGEREZZA E GRANDE IMPATTO ESTETICO
Le tensostrutture permettono la copertura di grandi aree di forma anche complessa minimizzando i materiali impiegati che sono utilizzati in modo efficiente (solo tensione e compressione).
Grazie a supporti puntuali, su edifici esistenti o attraverso pali strallati, è possibile tensionare una membrana che, per la forma “doppio curvata”, è stabile rispetto agli agenti atmosferici (vento e neve) e permette di coprire luci di dimensioni importanti con costi molto ridotti rispetto alle costruzioni tradizionali, un risultato estetico iconico e un impatto ambientale molto ridotto.
Maco Technology è specializzata nella progettazione e realizzazione di tensostrutture in membrane di poliestere spalmato PVC e/o fibra di vetro spalmato PTFE e a seconda delle prestazioni richieste e delle durate attese.
In questa guida parleremo di:
Cosa sono le Tensostrutture?
Definizione
Le tensostrutture sono edifici realizzati con materiali pensati lavorare unicamente in trazione (membrane e cavi). Nei pilastri vengono solitamente scaricate forze di sola compressione. Questo comportamento strutturale rende le tensostrutture molto efficienti e leggere sia da un punto di vista dell’utilizzo dei materiali che di impatto estetico. Le tensostrutture sono quindi le costruzioni ideali per coprire grandi luci. Non tutte le forme sono realizzabili con le tensostrutture in quanto la forma è espressione delle forze che si devono per definizione equilibrare.
Principi strutturali
Le tensostrutture resistono ai carichi esterni (vento e neve) per forma. Affinché una tensostruttura possa comportarsi in modo efficiente, la sua superficie deve essere doppio curvata. La doppia curvatura viene introdotta nella membrana a seguito di un processo di form finding (ricerca di forma) che minimizza gli sforzi all’interno della membrana per un dato stato tensionale. Per approfondimenti rimandiamo a questa pagina del nostro blog che spiega nel dettaglio: come funzionano le tensostrutture.
Differenze tra tensostrutture e tendostrutture
Tensostruttura: tutta membrana e poca struttura
Quando pensiamo alle tensostrutture, l’immagine è quella di membrana tesa o una rete di cavi, sostenuta da pilastri e tensionata da una serie di tiranti chiamati stralli. Nelle tensostrutture nessun elemento è superfluo: tagliano la membrana o disconnettendo un cavo di strallo, la struttura cambia forma trovando un nuovo equilibrio in in una nuova posizione. Il telo, è infatti è allo stesso tempo l’involucro e la struttura portante. La tensostruttura è per definizione una copertura tridimensionale che resiste per forma: maggiore è la curvatura della membrana, minori sono le tensioni all’interno del materiale e quindi le reazioni agli ancoraggi. Abbiamo approfondito le differenze tra tenso e tendostrutture in una pagina blog dedicata dal titolo: due universi differenti.
Tendostruttura: intelaiatura e telo in appoggio
Le tendostrutture sono strutture realizzate da portali posti in serie e collegati attraverso puntoni (arcarecci). Questa intelaiatura portante, che può essere realizzata in acciaio, alluminio o legno, è pensata per reggere i carichi in verticale. Il telo di copertura, è in appoggio sull’intelaiatura sottostante ed è tensionato molto poco rispetto alle tensostrutture. La tensione serve per distendere le pieghe della membrana ed evitare che si muova in caso di vento: la membrana è portata e ha la sola funzione di involucro. La tendostruttura, quindi, può essere considerata come un capannone tradizionale il cui involucro, invece che essere in pannelli sandwich o lamiera, è in materiale tessile. Nel caso il telo si laceri o venga meno, la struttura portante non subisce alcuna variazione di forma in quanto l’equilibro statico non dipende dalle forze interne di pretensione ma dalla geometria degli elementi rigidi.
Le tipologie di tensostrutture
Le parti flessibili delle tensostrutture ossia le membrane e i cavi, si dispongono nello spazio seguendo il percorso delle forze che agiscono al loro interno. Per questa ragione queste strutture vengono anche definite “From-active”. I bordi e le connessioni puntuali di questi elementi, influenzano la forma finale che i cavi e le membrane potranno generare. Per questa ragione, le tensostrutture possono essere categorizzate a seconda delle tipologie di supporto e, di conseguenza, della loro forma. Nella seguente classificazione estratta da Seidel, M.(2009) Tensile Surface Structures: A Practical Guide to Cable and Membrane Construction, Ernst & Sohn, Berlin, si possono ritrovare tutte le tipologie di tensostrutture che, eventualmente giustapposte, affiancate o specchiate, danno vita alla maggior parte delle forme di tensostrutture possibili.
Come è noto, le tensostrutture hanno superfici “doppio curvate” ossia curve in due direzioni. Le forme delle tensostrutture si dividono in sinclastiche e anticlastiche a seconda della direzione delle doppie curvature delle superfici come mostrato nello schema a lato (Tratto da Seidel M. 2009). Si dicono sinclastiche le superfici con curvature nella stessa direzione mentre anticlastiche quelle con curvatura opposta.
Superfici anticlastiche a punti alti o bassi. Qui un esempio della prima categoria: struttura conica con tensionamento per punti.
Superfici anticlastiche supportate per punti con cavi di colmo o valle (ridge or valley): qui un esempio con cavo di colmo.
Superfici anticlastiche a punti alti e bassi tensionati per punti o per bordi: paraboloide iperbolico o hypar. Qui un esempio classico di struttura a punti multipli, alti e bassi.
Superfici anticlastiche supportate con bordi rigidi ad archi in diverse configurazioni.
Le possibilità geometriche con questa tipologia sono molto diversificate.
Qui un esempio con due archi paralleli e bordi lineari.
Qui un esempio ad archi paralleli ma bordi liberi.
Qui invece il classico esempio di struttura a 4 archi, la cosiddetta struttura a volta a crociera.
Qui una struttura composta da diversi archi di bordo e di supporto intermedio alla membrana.
Superfici sinclastiche supportate dall’aria.
Qui un esempio a cuscini in ETFE con bordi lineari.
Qui un esempio di cuscini in ETFE con bordi curvi ad archi paralleli.
Qui un esempio di cuscini in ETFE con bordi curvi ad archi inclinati.
Qui un esempio di copertura pressostatica a perimetro rettangolare.
Qui un esempio di copertura pressostatica a perimetro circolare per digestore di per biogas.
Utilizzi delle tensostrutture
Coperture per circhi
L’origine storica delle tensostrutture in architettura risale alle tende usate come abitazione dalle popolazioni nomadi tra cui sono note le tende Yurta della Mongolia o i Teepee dell’America. In epoca più moderna, le prime grandi tensostrutture sono quelle utilizzate dalle compagnie circensi per allestire i loro spettacoli. L’evoluzione di queste coperture ha portato agli attuali “chapiteau” che possono raggiungere dimensioni davvero impressionanti: Il Cirque du Soleil per esempio usa strutture di oltre i 50 metri di diametro, con antenne da 25 metri e altezza delle cuspidi di 19 metri. Queste coperture sono tensionate da oltre 500 pilastri strallati perimetrali.
Coperture di stadi
Le tensostrutture raggiungono la loro massima espressione nelle coperture per stadi. In questi casi è necessario infatti coprire grandi luci al minor peso possibile al fine di non gravare sulle sottostrutture e sulle fondazioni. Inoltre, dovendo lasciare la visuale del campo da gioco libera da ogni ingombro, è necessario adottare un principio strutturale in grado di funzionare a sbalzo. E’ questo il caso del principio “spoked wheel” o ruota di bicicletta che consiste in un anello esterno compresso e un anello interno teso, collegati tra loro da cavi in trazione. Il risultato è una tensostruttura unica che abbraccia tutta l’arena coperta e che deve essere eretta in un colpo solo attraverso il cosiddetto “big lift”.
Coperture di camminamenti e atrii
Le coperture lineari, di luci importanti, a copertura di camminamenti per esempio in centri commerciali, aeroporti o impianti fieristici, possono essere coperte con tensostrutture che permettono un’ottima illuminazione diffusa, un impatto estetico molto forte e una appoggio sui corpi di fabbrica laterali relativamente “leggero” grazie ad una struttura portante puntuale. Per ottenere caratteristiche simili, con materiali traslucenti tradizionali quale il vetro sarebbe necessaria una sottostruttura portante in travature reticolari molto massiva il che pregiudicherebbe il risultato estetico generale.
Coperture di piazze
Grandi piazze possono essere coperte con tensostrutture di forme più o meno libere in modo da sposarsi con le preesistenze o le geometrie architettoniche più complesse. In questo caso la copertura diventa vero e proprio arredo urbano, iconico e ben distinguibile dal linguaggio tecnologico del sistema costruttivo che è manifestato e reso chiaramente leggibile. Difficilmente si potrebbe ottenere un risultato simile applicando sistemi costruttivi a travi e pilastri i quali necessiterebbero, per forza di cose, di una maglia geometrica ben definita e regolare.
Coperture aree pedonali
Attraverso una rete di cavi in acciaio inox è stata creata la struttura portante per una serie di velette romboidali di vari colori al fine di ombreggiare e riqualificare le stradine di un centro commerciale. L’intervento ha riguardato 6 aree per un totale di circa 1100 metri quadrati. Il sistema, tanto semplice quanto sofisticato, è mantenuto in tensione attraverso molle in acciaio inox progettate su misura a seguito dell’analisi strutturale. L’effetto finale è un gioco di colori, luci ed ombre in grado gradevole e in armonia con il contesto.
I vantaggi delle tensostrutture
Vantaggi economici
Le tensostrutture utilizzano i materiali costruttivi nel modo più efficiente: cavi e membrane lavorano solo in trazione mentre la struttura portante è solitamente solo compressa. Questo permette di minimizzare l’utilizzo dei materiali. Inoltre, la leggerezza del sistema costruttivo e la sua flessibilità in fase di esercizio permette alle tensostrutture di non essere soggette alla normativa sismica il che comporterebbe un aumento delle sezioni portanti e, di conseguenza, di costo. Per grandi dimensioni, quindi, le tensostrutture sono sicuramente il sistema costruttivo più economico. Su progetti piccoli o di media taglia, invece, dipende dalle forme e dai materiali selezionati. Le tensostrutture in poliestere spalmato PVC possono essere molto competitive.
Qui può essere letto un approfondimento riguardo il costo delle membrane in poliestere spalmato PVC
Vantaggi strutturali
Le tensostrutture scaricano a terra, nella maggior parte dei casi, solo forze di trazione o compressione in modo puntale. Si dice spesso che la massa che le tensostrutture non hanno fuori terra, è quella che deve essere messa nelle fondazioni per permettere di mettere davvero in tensione le strutture come da progetto. Niente di più vero! La compressione è però facilmente assorbibile da fondazioni semplici. La trazione invece deve essere gestita attraverso ancore, tirafondi o plinti correttamente dimensionati. Quando le fondazioni diventano troppo invasive, la corretta progettazione permette la creazione di sistemi chiusi, come per esempio il spoked wheel usato per le coperture delle arene, che non scaricano “tiri” a terra. La mancanza di massa e la flessibilità degli elementi strutturali impiegati permette alle tensostrutture di andare, nella maggior parte dei casi, in deroga per quanto riguarda le normative sismiche. La tensostruttura potrà quindi oscillare e muoversi in caso di terremoto dissipando l’energia introdotta senza risultare danneggiata.
Vantaggi ambientali
La leggerezza delle tensostrutture va di pari passo con il minor impatto ambientale in termini di spreco di risorse e invasività al suolo. Inoltre, per definizione, le tensostrutture sono architetture assemblate a secco, totalmente smontabili e potenzialmente ricollocabili in altro luogo nel caso fosse necessario o venissero a cambiare le esigenze. E’ quindi intrinseco un pensiero orientato al riuso piuttosto che al solo riciclo, non sempre davvero possibile. Le tensostrutture sono quindi architetture flessibili in grado di essere modificate ed adattate nel tempo in caso ce ne fosse bisogno. E’ impossibile fare questo tipo di ragionamento con i sistemi di costruzione tradizionale che sono per definizione fissi e non più amovibili.
I materiali delle tensostrutture
Nel blog abbiamo una pagina dedicata alla descrizione dei principali materiali tessili impiegati nelle tensostrutture. In questa guida, invece, citiamo velocemente i due materiali più diffusi per questo tipo di applicazioni: il poliestere spalmato PVC e la fibra di vetro spalmata PTFE.
Membrane in fibra di poliestere spalmato PVC
E’ il materiale più diffuso, più versatile ed economico nel mondo delle membrane tessili per architettura. Si compone di una base in tessuto in fibra di poliestere a cui viene aggiunta una spalmatura di PVC contenente diversi additivi in grado di garantire la flessibilità del risultato finale, il suo colore, la resistenza ai funghi, ai raggi UV e alla fiamma. Questi materiali sono solitamente laccati superficialmente da uno strato trasparente in PVDF che aiuta a mantenere la pulizia della superficie e la durata nel tempo. Il range prestazionale delle membrane in poliestere spalmato PVC è enorme spaziando da materiali per piccole coperture con durate garantite di 5 anni fino a materiali altamente prestazionali garantiti 20 anni.
Tensostrutture in fibra di vetro spalmata in PTFE
Sono le membrane più performanti e durature con aspettative di vita oltre i 20 anni. La fibra di vetro, molto resistente e stabile alla trazione garantisce ottime prestazioni strutturali ad un peso leggero. La spalmatura in PTFE (teflon) assicura una durata di gran lunga superiore rispetto al PVC e una pulizia della membrana molto maggiore. Il limite principale di questo prodotto sta nel costo, di gran lunga più alto rispetto alle membrane in poliestere/PVC, nella velocità di confezionamento (molto più bassa rispetto al PVC) e nella impossibilità di piegare il materiale oltre un certo raggio in fase di trasporto in quanto la fibra di vetro potrebbe rompersi compromettendo le prestazioni meccaniche.
I dettagli delle tensostrutture
Le tensostrutture sono in tutto e per tutto un assemblaggio di dettagli. Ogni componente e progettato per resistere ad una determinata forza orientata in un certo modo. Ogni elemento si allinea in equilibro con tutti gli altri in una geometria che può essere una e solo quella. Per questa ragione i dettagli sono essi stessi le tensostrutture e, se ben sviluppati, fanno la differenza. Di seguito illustriamo velocemente due dettagli cruciali nelle tensostrutture: le piastre angolari e cavi di bordo.
Le piastre d’angolo
Le piastre d’angolo hanno al funzione di trasferire le forze che vengono dai pilastri strallati in modo uniforme sulla superficie della membrana. Le piastre devono potersi orientare secondo le forze liberamente e devono raggiungere l’equilibro tra le forze membranali che agiscono sul piano tangente alla membrana e le forze puntuali dei cavi di bordo che agiscono in asse con essi. Questo elemento è quindi cruciale per la buona riuscita della messa in tensione e deve essere geometricamente pensato per ogni singola membrana. La piastra si compone di 3 parti: il collegamento al pilastro solitamente tramite cerniera, il collegamento alla membrana tramite piattinatura e il collegamento ai cavi attraverso boccole correttamente orientate. E’ molto raro poter replicare le stesse piastre su membrane diverse se si vuole ottenere un risultato di qualità. per questa ragione, a livello di progettazione è necessario velocizzare la produzione di questi dettagli al fine di poterli realizzare in modo parametricamente. Qui un esempio di progettazione parametrica delle piastre di una tensostruttura.
I bordi delle membrane: cavi, piattinature e legature
I bordi delle membrane possono essere tensionati con cavi di bordo, attraverso piattinature ad elementi rigidi o attraverso legature sia a cavi o elementi rigidi. I bordi devono essere predisposti al fine di garantire la perfetta tenuta anche tenendo in considerazione eventuali scorrimenti, allungamenti del materiale in fase di montaggio ed esercizio. Una errata progettazione dei dettagli di bordo potrebbe risultare in difetti perimetrali e, nei casi peggiori, in rotture della membrana in caso di picchi di sforzi non previsti.
Nella maggior parte dei casi, la membrana ospita trefoli in acciaio inox all’interno di tasche appositamente rinforzate.
Il montaggio delle tensostrutture
Le tensostrutture devono la loro forma allo stato di pretensione introdotto nella membrana e nei cavi. Rispetto quindi a tutti i montaggi di architettura tradizionale in cui gli elementi vengono messi in posizione per geometria e rimangono in equilibrio per il loro peso proprio, nel caso delle tensostrutture gli oggetti vengono messi in posizione a seguito di un equilibrio di forze dato dagli degli elementi in gioco: cavi e membrane in tensione, pilastri in compressione. Il montaggio deve essere fatto da operatori esperti in quanto il risultato geometrico e strutturale è vincolato alla corretta introduzione dei carichi da progetto e al rispetto di fasi di montaggio che non possono essere invertite. Devono essere anche presenti in cantiere strumenti in grado di introdurre la tensione richiesta possibilmente misurandola. In alternativa, lo stato tensionale può essere previsto basandosi sulle deformazioni attese. Tutti gli elementi tesi, infatti, sono prodotti “compensati” ossia leggermente più piccoli: a seguito della tensione introdotta e a seguito dell’allungamento dei materiali fino al raggiungimento delle posizioni di progetto, si può ipotizzare che sia stata introdotta la corretta pretensione.
Gli elementi che compongono le tensostrutture sono principalmente incernierati tra loro e liberi di trovare la loro posizione a seguito del raggiungimento dell’equilibrio tensionale. Esistono però diversi se non infiniti equilibri possibili. Il corretto montaggio ha l’obbiettivo di raggiungere l’equilibrio di progetto attraverso strategie atte ad introdurre nelle membrane e nei cavi le tensioni attese. La strategia più semplice ed efficace è quella dell’utilizzo dei pilastri strallati di cui è possibile leggere un approfondimento qui e mostrato dalle immagini sopra e sotto. Nell’immagine in alto il sistema è schematizzato in piano e rappresenta la messa in tensione dei una trave di cavi attraverso l’inclinazione dei pilastri strallati.
Nell’immagine sotto, invece, è mostrata la procedura di montaggio di una classica tensostruttura a punti alti e bassi (hypar) in cui, con lo stesso procedimento vengono prima messi in posizione i punti alti e solo successivamente tensionali i punti bassi. L’ordine con cui queste fasi vengono fatte è fondamentale. Se infatti si procedesse prima alla messa in posizione dei vertici bassi e solo dopo di quelli alti, si otterrebbe una forma diversa, sicuramente più “piatta” e non conforme al progetto. Per approfondire questa tematica rimandiamo all’articolo del nostro blog: L’importanza del corretto montaggio nelle tensostrutture.
La normativa sulle tensostrutture
Al momento della stesura di questa pagina (gennaio 2021), non esiste un Eurocodice sulle tensostrutture che normi queste costruzioni in modo completo e nemmeno una normativa nazionale specifica. In assenza di uno specifico Eurocodice e di una apposita normativa nazionale, il settore delle tensostrutture e delle tendostrutture è prevalentemente regolato dalle normative per strutture temporanee per via del carattere temporaneo che, in genere, caratterizza questo tipo di coperture.
La normativa riguardante strutture temporanee
La norma UNI EN 13782:2015 “Strutture temporanee – Tende – Sicurezza”, che ha recentemente sostituito la norma UNI 10949:2001 “Sicurezza delle attrezzature per fiere e parchi di divertimento – Tende, strutture tessili temporanee e/o itineranti – Progettazione, costruzione, montaggio e manutenzione”, specifica i requisiti di sicurezza relativi alla progettazione, al calcolo, alla costruzione, all’installazione, alla manutenzione di tende installate in maniera itinerante, temporanea con superficie coperta maggiore di 50 m2. La norma si applica anche a tende piccole multiple, che non sono normalmente trattate dalla presente norma, che sono installate vicine e che insieme coprono una superficie maggiore di 50 m2. In aggiunta ci si può riferire alla norma UNI EN 15619:2014 “Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Sicurezza delle strutture temporanee (tendoni) – Specifiche per supporti tessili rivestiti destinati a tendoni e strutture analoghe”. La norma specifica le caratteristiche, i requisiti ed i metodi di prova per i supporti tessili rivestiti destinati a tendoni mobili e temporanei per strutture locali o edifici aperti, per esempio mercati, hangar, sale-tenda, stand, con esclusione delle tende per campeggio, e per strutture analoghe.
Il tentativo di norma per le tensostrutture
Per tecnici e progettisti, il progetto di norma UNI U50.0.299.0 “Tende-strutture, tenso-strutture, presso-strutture. Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo, l’uso e la manutenzione” rappresenta tutt’ora un valido riferimento trattando i requisiti di resistenza, servizio, sicurezza e durata delle tende-strutture, tenso-strutture e presso-strutture. Inoltre, fornisce indicazioni in merito alla qualità dei materiali da costruzione e dei prodotti che si utilizzano ed il livello di accuratezza delle operazioni di cantiere necessarie per rispettare le ipotesi definite nelle regole di progettazione. Il progetto di norma non tratta le strutture con superficie coperta inferiore a 40 mq come ombrelloni da mercato, ombrelloni da spiaggia, tende da campeggio, tende solari e coperture montate giornalmente, ecc.
Normative riguardanti i materiali e le loro proprietà
UNI EN ISO 899-1:2018: Materie plastiche – Determinazione del comportamento allo scorrimento – Parte 1: Scorrimento a trazione
UNI EN ISO 1421:2017: Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Determinazione della resistenza a rottura e dell’allungamento a rottura.
UNI EN ISO 1798:2008: Materiali polimerici cellulari flessibili – Determinazione della resistenza a trazione e dell’allungamento a rottura.
UNI EN 1875-3:2000: Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Determinazione della resistenza alla lacerazione – Metodo della provetta trapezoidale.
UNI EN ISO 4674-1:2017: Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Determinazione della resistenza alla lacerazione – Parte 1: Metodi a velocità costante di lacerazione.
UNI EN ISO 4674-2:2001: Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Determinazione della resistenza alla lacerazione – Metodo con pendolo balistico.
UNI EN ISO 13934-1:2013: Tessili – Proprietà dei tessuti a trazione – Parte 1: Determinazione della forza massima e dell’allungamento alla forza massima con il metodo della striscia.
UNI EN ISO 13934-2:2014: Tessili – Proprietà dei tessuti a trazione – Parte 2: Determinazione della forza massima con il metodo grab.
UNI EN ISO 2411:2018: Supporti tessili rivestiti di gomma o materie plastiche – Determinazione dell’adesione del rivestimento.
Normative riguardanti l’invecchiamento accelerato in laboratorio
UNI EN ISO 4892-1:2016: Materie plastiche – Metodi di esposizione a sorgenti di luce di laboratorio – Parte1: Guida generale
UNI EN ISO 4892-2:2013: Materie plastiche – Metodi di esposizione a sorgenti di luce di laboratorio – Parte 2: Lampade ad arco allo xeno.
UNI EN ISO 4892-3:2016: Materie plastiche – Metodi di esposizione a sorgenti di luce di laboratorio – Parte 3: Lampade fluorescenti UV.