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; e infine quello ellenistico, di lento declino e diffusione anche al di fuori dei confini greci.

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, o 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, rappresenta le linee di forza interne al materiale di cui è composto un corpo. Esse si dividono in due gruppi: le tensioni normali (le cosiddette sigma) e le tensioni tangenziali (le cosiddette tau). Entrambe possono essere indotte nel corpo generico da più stati di carico. Le sollecitazioni cui un elemento è sottoposto sono di quattro tipi:

• compressione o trazione, cioè una sollecitazione che agisce longitudinalmente al corpo;

• taglio, che agisce trasversalmente;

• flessione, che rende le fibre del corpo non più rettilinee;

• torsione, che ne provoca la rotazione interna.

Queste sollecitazioni possono essere combinate tra di loro, generando stati tensionali e modelli di calcolo molto complessi. Senza entrare troppo nel dettaglio, si può affermare che solo con i Romani si cominciò a capire, anche se in maniera empirica, quali sollecitazioni fossero più adatte a determinati materiali da costruzione. Il frontone dei templi greci, ad esempio, per la sua imponenza, sollecitava e portava a rottura il marmo dell’architrave che lo sosteneva.

Furono dunque i Romani a inventare la più ingegnosa delle strutture: l’arco. Quest’elemento strutturale ha l’enorme pregio di essere una struttura totalmente compressa. Ciò significa 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 la grande resistenza delle strutture romane. Ma i Romani si spinsero oltre, bruciando le tappe dell’ingegneria strutturale e portandosi in anticipo di almeno mille anni, inventando la cupola, o almeno cominciando a studiare la tridimensionalizzazione dell’arco.

Una cupola, a ben vedere, 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 potesse resistere al tempo, ma il Pantheon resta un illustre esempio dei loro studi. In esso si trovano tutti gli elementi di una cupola moderna: l’anello di trazione alla base, che ha il compito di assorbire tutti i carichi portati dai costoloni; un anello di compressione in alto, che delimita il foro; e appunto i costoloni, 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, ma ottima resistenza alla compressione. Dunque, fintantoché non si è entrati in possesso di materiali compositi, l’ingegno degli scienziati ha permesso di realizzare opere meravigliose, tanto per la loro imponenza ed eleganza quanto per la loro solidità.

Tra tutti i materiali compositi, il più emblematico è certamente il conglomerato cementizio armato, comunemente detto cemento armato. Nato all’inizio del XX secolo ma diffusosi solo dagli anni Quaranta, rappresenta la summa dell’ingegneria dei materiali. È composto da conglomerato cementizio di varia natura, a seconda delle condizioni d’uso, e da barre di armatura (i cosiddetti tondini) di vario diametro, che compensano la carenza del cemento comune: la trazione. L’acciaio, di cui sono fatte tali barre, è infatti il materiale che meglio resiste alla trazione e consente di realizzare travi molto lunghe — in gergo, con “luce molto grande” — assorbendo gli sforzi generati dal peso nella parte inferiore.

A dimostrazione della validità di tale materiale, basti pensare che oggi più del 90% delle opere realizzate — dalle comuni abitazioni alle infrastrutture più avanzate, fino alle gallerie più profonde — utilizza il cemento armato in maniera preponderante.

I motivi per i quali gli edifici stanno in piedi o cadono sono molteplici. Con questa breve introduzione si è voluto mostrare quanto sia difficile comprendere a fondo alcuni meccanismi che, ancora oggi, l’ingegneria fatica a controllare del tutto, ma anche offrire spunti di riflessione a chi si interessa di questi temi, specialisti e curiosi compresi.

Per ulteriori approfondimenti, si consigliano due letture fondamentali: “Perché gli edifici stanno in piedi” di Mario Salvadori e “Perché gli edifici cadono” di Matthys Levy e Mario Salvadori, entrambi editi da Strumenti Bompiani.