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Perchè gli edifici stanno in piedi?

I motivi per cui un edificio esiste possono essere davvero i più disparati, meno quelli per cui esso sta in piedi. Nonostante ciò molti di essi sono di semplice intelligibilità da un punto di vista meramente fisico. Eppure, da secoli si è alla ricerca, non sempre soddisfatta, della perfezione, e dell’altezza. Ciò dimostra che non è poi così facile dare una risposta completamente esaustiva. Prendiamo come punto di inizio della nostra storia l’Antica Grecia. L’architettura greca si divide in tre grandi periodi, quello arcaico, la cui data di termine si pone convenzionalmente al 480 a.C., anno in cui vi fu la distruzione di Atene da parte dei Persiani, quello classico, di breve durata, ma che diede vita agli edifici più celebri ed imponenti, ed infine quello ellenistico, di lento declino e diffusione anche al di fuori dei confini greci. Ebbene. Per quanto variegata, imponente, e ricca possa essere stata l’architettura greca, presentava delle debolezze e carenze statiche che non le hanno permesso di giungere a noi in maniera organica. Primo fra tutti l’utilizzo di materiali da costruzione molto pesanti e che godevano di scarsa resistenza a trazione e flessione. Sembra, dunque, opportuno fare una brevissima digressione sulle tipologie di sollecitazione cui tutte le strutture od elementi strutturali in genere, sono sottoposti.
La grande famiglia delle tensioni, immaginate e idealizzate dal matematico francese Augustin-Louis Cauchy nei primi anni del XIX secolo, sono delle linee di forza interne al materiale di cui è composto il corpo e si dividono in due gruppi:  le tensioni normali, le c.d. sigma, e le tensioni tangenziali, le c.d. tau. Entrambe possono essere indotte nel corpo generico da più stati di carico. Le sollecitazioni cui un elemento è sottoposto sono di quattro tipi: di compressione o trazione, ossia una sollecitazione che agisce longitudinalmente al corpo, di taglio, ossia una sollecitazione che agisce trasversalmente al corpo, di flessione, cioè una sollecitazione che rende le fibre del corpo non più rettilinee, ed infine di torsione. Queste sollecitazioni possono essere combinate tra di loro generando stati tensionali e relativi modelli di calcolo molto complessi. Senza entrare troppo nel dettaglio, si può asserire che non prima dei Romani qualcuno riuscì a capire, benché in maniera superficiale, quali sollecitazioni siano più adatte a determinati materiali da costruzione. Il frontone dei templi greci, ad esempio, per la sua imponenza, sollecitava, portandolo a rottura, il marmo di cui era fatto l’architrave che lo sosteneva.
Furono dunque i Romani ad inventare la più ingegnosa delle strutture: l’arco. Quest’elemento strutturale ha l’enorme pregio di essere una struttura totalmente compressa. Ciò vuol dire che nessun concio dell’arco subisce sforzi di trazione, cui il materiale, per sua stessa composizione molecolare, non resisterebbe. Questo, di per sé, sarebbe già sufficiente a spiegare il perché della grande resistenza delle strutture romane. I Romani, tuttavia, si spinsero oltre, bruciando le tappe dell’ingegneria strutturale e portandosi in anticipo di almeno mille anni, inventando la cupola, o quanto meno cominciando a studiare la “tridimensionalizzazione” dell’arco. In effetti, a pensarci bene, una qualsivoglia cupola, altro non è che un solido, ottenuto dalla rotazione attorno all’asse della chiave di volta di un arco di qualsiasi sesto. Non riuscirono mai, purtroppo, a realizzare una cupola intera che abbia saputo resistere all’inclemenza dell’età. Tuttavia il Pantheon è un illustre esempio degli studi condotti. Ci sono tutti gli elementi di una cupola moderna. L’anello di trazione, alla base della cupola, che ha il compito di assorbire tutti i carichi portati dai costoloni, un anello di compressione in alto, che descrive il foro, che non sono riusciti a chiudere, ed appunto i costoloni, ossia degli elementi longitudinali a semi-arco che sostengono l’intera struttura.
Occorre tenere a mente che i materiali da costruzione comuni, calcestruzzo, pietra, muratura, tufo, presentano scarsissime caratteristiche di resistenza alla trazione, a fronte di una ottima resistenza alla compressione. Dunque, fintantoché non si è entrati in possesso di materiali compositi, l’ingegno degli scienziati ha fatto sì che si realizzassero opere meravigliose, tanto per la loro imponenza ed eleganza quanto per la loro pertinacia. Più emblematico, tra tutti i materiali compositi, è sicuramente il conglomerato cementizio armato, volgarmente detto “cemento armato”. Esso, nato all’inizio del XX secolo, ma diffusosi non prima degli anni ’40, rappresenta la summa dell’ingegneria dei materiali. È composto da conglomerato cementizio di varia natura, a seconda delle condizioni in cui “presterà servizio”, e da barre di armatura, i c.d. tondini, di vario diametro che vanno a coprire la carenza del cemento comune, cioè la trazione. L’acciaio, di cui sono fatte tali barre, è il materiale che generalmente meglio resiste alla trazione e quindi, qualora si voglia realizzare una trave molto lunga, in gergo con una luce molto grande, il cui peso genererebbe degli sforzi di trazione nella sua parte inferiore, l’acciaio interviene per assorbire tali sforzi e consentire la realizzazione di grandi spazi. A dimostrazione della validità di tale materiale basti pensare che ad oggi più del 90% delle opere che si realizzano, dalla comune abitazione all’infrastruttura più avanzata o alla galleria più profonda, lo utilizzano in maniera preponderante.
I motivi per i quali gli edifici stanno in piedi o cadono sono molteplici. Con questa breve introduzione ad essi si è voluta esprimere la difficoltà di capire alcuni meccanismi che tuttora troviamo difficoltà ad arginare, ma al contempo, dare spunti di riflessione a tutti coloro si interessino di queste cose, e, perché no, anche ai profani.
Per gli approfondimenti riguardo le tematiche trattate, rimando a due interessanti letture, consigliate sia ad un pubblico specializzato, sia ad un pubblico “interessato”: “Perché gli edifici stanno in piedi”, ed. Strumenti Bompiani, di Mario Salvadori, e “Perché gli edifici cadono”, ed. Strumenti Bompiani, di Matthys Levy e Mario Salvadori.
Federico Giubilei

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