Una tensostruttura è una costruzione nella quale gli elementi strutturali lavorano prevalentemente a trazione, senza essere sollecitati a compressione o flessione. Il comportamento resistente è affidato alla forma e al pretensionamento degli elementi, che consentono alla struttura di mantenere stabilità ed equilibrio sotto l’azione dei carichi.

Il concetto di trazione non deve essere confuso con quello di tensegrità, una particolare configurazione strutturale che combina elementi in trazione ed elementi in compressione in un sistema integrato e autoequilibrato. Le tensostrutture rappresentano una delle tipologie più diffuse di strutture leggere e a guscio sottile, grazie alla loro efficienza strutturale e al ridotto impiego di materiale.

Il termine tensegrità è stato introdotto dall’ingegnere e teorico dell’architettura Richard Buckminster Fuller, dalla fusione dei termini “tensione” e “integrità”. Esso indica una proprietà strutturale di sistemi nei quali la stabilità è garantita dalla collaborazione tra elementi compressi, isolati tra loro, ed elementi tesi continui, capaci di distribuire le sollecitazioni in modo uniforme.

Sebbene il principio teorico delle tensostrutture si basi sul lavoro a trazione, nella pratica esse sono spesso integrate con elementi che lavorano a compressione o flessione, come piloni, alberi, anelli di compressione o travi perimetrali. Un esempio emblematico è il Millennium Dome di Londra (oggi The O₂), in cui una grande membrana tesa è sostenuta da una serie di piloni compressi.

Le strutture a membrana in tensione sono ampiamente utilizzate come coperture, poiché consentono di coprire grandi luci con soluzioni leggere, economiche ed esteticamente riconoscibili. In alcuni casi, esse costituiscono edifici completi e trovano applicazione in impianti sportivi, spazi espositivi, strutture per eventi, edifici di deposito e stoccaggio.

Lo sviluppo scientifico e l’applicazione sistematica delle tensostrutture nelle grandi opere architettoniche si è affermato soprattutto nella seconda metà del XX secolo. Tuttavia, il principio della trazione è noto da secoli ed è stato utilizzato tradizionalmente nelle tende, dove pali e tiranti forniscono il pretensionamento necessario al tessuto per resistere ai carichi esterni.

Un contributo fondamentale allo sviluppo teorico delle tensostrutture è stato fornito dall’ingegnere russo Vladimir Šuchov, tra i primi a elaborare metodi di calcolo per le sollecitazioni e le deformazioni di gusci sottili e membrane. Tra le sue opere più significative vi sono i padiglioni espositivi realizzati per la fiera di Nizhny Novgorod del 1896, che coprivano una superficie complessiva di circa 27.000 m². Un esempio successivo di struttura a membrana su larga scala è il Sidney Myer Music Bowl, costruito nel 1958.

Anche Antoni Gaudí utilizzò principi analoghi, applicandoli in senso inverso per progettare strutture lavoranti esclusivamente a compressione, come nel caso della chiesa della Colònia Güell. Attraverso modelli di trazione sospesa, Gaudí fu in grado di determinare sperimentalmente la geometria delle colonne e delle volte e di tradurre le linee di forza in forme architettoniche efficienti.

Un esempio di grande rilevanza è l’Olympiastadion di Monaco, che fa ampio uso di tensostrutture per la copertura. Il progetto rappresenta uno dei risultati più noti del lavoro dell’architetto e ingegnere tedesco Frei Otto, il quale contribuì in modo decisivo alla diffusione delle strutture leggere, applicandole già nel padiglione della Germania Ovest all’Expo di Montréal del 1967 e successivamente per le Olimpiadi del 1972.

A partire dagli anni Sessanta, numerosi architetti, ingegneri e studi specializzati hanno promosso e sviluppato le tensostrutture, contribuendo alla loro affermazione a livello internazionale. Il continuo progresso tecnologico nei materiali, nei sistemi di ancoraggio e nei metodi di analisi strutturale ha ulteriormente aumentato la diffusione delle coperture in tessuto.

Il peso ridotto dei materiali e l’elevata efficienza strutturale rendono le tensostrutture una soluzione particolarmente vantaggiosa rispetto ai sistemi costruttivi tradizionali, soprattutto quando è necessario coprire grandi spazi con un ridotto impiego di risorse e un forte valore espressivo.

Tensostrutture: principi strutturali, materiali e criteri di calcolo

1. Introduzione

Le tensostrutture costituiscono una categoria di strutture leggere nelle quali gli elementi resistenti lavorano prevalentemente a trazione. La capacità portante non è affidata alla massa o alla rigidezza del materiale, bensì alla forma, alla continuità degli elementi tesi e alla pretensione introdotta in fase di progetto.

Grazie all’elevata efficienza strutturale e al ridotto impiego di materiale, le tensostrutture consentono di coprire grandi luci con soluzioni architettoniche riconoscibili, leggere ed economicamente vantaggiose. Trovano applicazione soprattutto in coperture per impianti sportivi, spazi espositivi, edifici temporanei, strutture per eventi e grandi spazi pubblici.

2. Tipologie di strutture con membri di tensione significativi

2.1 Strutture lineari

Sono strutture in cui il sistema resistente principale è costituito da cavi:

• ponti sospesi

• cavi drappeggiati

• strutture strallate (con travi o capriate)

• tralicci per cavi

• cavi tesi rettilinei

In questi sistemi i carichi vengono trasmessi lungo traiettorie funicolari, riducendo al minimo le sollecitazioni di flessione.

2.2 Strutture tridimensionali

Le strutture tridimensionali organizzano la trazione in configurazioni spaziali complesse:

• ruota di bicicletta (utilizzabile anche come copertura orizzontale)

• tralicci spaziali

• strutture di tensegrità, nelle quali elementi compressi isolati sono stabilizzati da una rete continua di cavi in trazione

2.3 Strutture soggette a sollecitazioni superficiali

In queste strutture la resistenza è affidata a superfici tese:

• membrane precompresse

• membrane pneumatiche

• gridshell

• strutture in tessuto

Un esempio storico rilevante è la Rotonda di Shukhov (Russia, 1895), primo tetto con membrana metallica e guscio in acciaio a traliccio.

3. Materiali per strutture a membrana

I materiali più diffusi per le strutture in tessuto a doppia curvatura sono:

• fibra di vetro rivestita in PTFE

• poliestere rivestito in PVC

Si tratta di materiali anisotropi, nei quali:

• le fibre di ordito sopportano carichi maggiori

• le fibre di trama contribuiscono alla stabilità del tessuto

Un’alternativa sempre più utilizzata è il film in ETFE, impiegato come strato singolo o in forma di cuscini pneumatici, che migliorano isolamento e qualità luminosa, come nel caso dell’Allianz Arena di Monaco.

4. Cavi strutturali

I cavi possono essere realizzati in:

• acciaio dolce

• acciaio ad alta resistenza

• acciaio inox

• fibre polimeriche (poliestere, aramidiche)

Dal punto di vista costruttivo si distinguono:

• cavi spiralati

• cavi a spirale bloccata, più rigidi e con minori deformazioni costruttive

Il modulo di Young tipico varia tra 150 e 160 GPa a seconda della tipologia.

5. Forme strutturali e comportamento meccanico

Le tensostrutture devono la loro stabilità alla doppia curvatura. Le superfici anticlastiche consentono di distribuire le tensioni e resistere a carichi di vento e neve.

È fondamentale evitare:

• ristagni d’acqua

• accumuli di neve

che possono causare deformazioni e collassi progressivi.

6. Pretensione

La pretensione è una tensione introdotta artificialmente negli elementi strutturali per garantire rigidezza e stabilità.

Può essere applicata:

• ai cavi

• alle membrane

• alla struttura portante

Il livello di pretensione influisce direttamente su:

• forma finale

• comportamento sotto carico

• durabilità della struttura

7. Principi di calcolo strutturale

7.1 Cavo soggetto a carico uniformemente distribuito

Un cavo teso tra due appoggi e caricato uniformemente assume una forma prossima alla parabola.

Reazione orizzontale:

H=wS28dH = \frac{w S^2}{8 d}H=8dwS2​

Reazione verticale:

V=wS2V = \frac{w S}{2}V=2wS​

Tensione nel cavo:

T=H2+V2T = \sqrt{H^2 + V^2}T=H2+V2​

dove:

• $w$ = carico distribuito

• $S$ = luce

• $d$ = freccia

7.2 Allungamento del cavo

Secondo la legge di Hooke:

ΔL=TLEA\Delta L = \frac{T L}{E A}ΔL=EATL​

Con pretensione iniziale T0T_0T0​:

ΔL=L0(T−T0)EA\Delta L = \frac{L_0 (T – T_0)}{E A}ΔL=EAL0​(T−T0​)​

7.3 Frequenza naturale del cavo

f1=12LTmf_1 = \frac{1}{2L} \sqrt{\frac{T}{m}}f1​=2L1​mT​​

Il controllo delle frequenze è fondamentale per evitare fenomeni di risonanza indotti dal vento.

8. Calcolo delle membrane

Per una membrana doppiamente curva:

w=t1R1+t2R2w = \frac{t_1}{R_1} + \frac{t_2}{R_2}w=R1​t1​​+R2​t2​​

dove:

• t1,t2t_1, t_2t1​,t2​ = tensioni principali

• R1,R2R_1, R_2R1​,R2​ = raggi di curvatura

• $w$ = carico superficiale

In assenza di carichi esterni:

t1R1=−t2R2\frac{t_1}{R_1} = -\frac{t_2}{R_2}R1​t1​​=−R2​t2​​

9. Ricerca della forma (Form Finding)

La progettazione delle tensostrutture richiede una fase di ricerca della forma, poiché la resistenza dipende dalla geometria.

Le metodologie includono:

• modelli fisici (film di sapone, tessuti)

• metodi energetici

• analisi non lineari agli elementi finiti

La forma finale dipende da:

• geometria della struttura portante

• pretensione

• materiale

• configurazione del modello di taglio

10. Verifiche progettuali

Le verifiche fondamentali riguardano:

• tensioni massime

• spostamenti

• carichi di vento e neve

• fenomeni di fatica nei cavi

• ristagni d’acqua e neve

• frequenze proprie

11. Conclusioni

Le tensostrutture rappresentano una sintesi avanzata tra efficienza strutturale, innovazione tecnologica ed espressività architettonica. L’evoluzione dei materiali e dei metodi di calcolo ha reso queste strutture sempre più affidabili, consentendo applicazioni su scala crescente.

La loro progettazione richiede un approccio integrato, in cui forma, struttura e materiale sono strettamente interdipendenti, rendendo le tensostrutture uno dei campi più affascinanti della progettazione contemporanea.

Riferimenti

https://www.army-technology.com/contractors/field/sprung-structures2/

________________________________________________________________________

Se hai problemi per affrontare i punti suindicati, e vuoi ottimizzare i tempi, potresti valutare la possibilità di frequentare un corso per la preparazione dell'esame di stato di architetto o singole lezioni su ogni argomento legato alla professione di Architetto / Pianificatore Territoriale e/o alla prova d’esame.

________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Pubblicazione gratuita di libera circolazione. Gli Autori non sono soggetti a compensi per le loro opere. Se per errore qualche testo o immagine fosse pubblicato in via inappropriata chiediamo agli Autori di segnalarci il fatto è provvederemo alla sua cancellazione dal sito