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Creatività e rigore scientifico
L'approccio progettuale di Henry Lossier
È ormai opinione condivisa che la progettazione strutturale non consista esclusivamente nella risoluzione di un problema analitico, ma in un processo creativo di concezione di una struttura che risponda sia ai princìpi statici sia alle esigenze spaziali e volumetriche richieste dal progetto architettonico, e sono molti i nomi illustri (da Torroja1 a Nervi2) che hanno espresso la loro opinione al riguardo.
Ma la creatività strutturale dipende solo dal talento personale oppure può essere formata ed educata? Il talento ha sicuramente un ruolo importante, ma non è l'unico fattore in gioco. Oltre a permettere la creazione degli spazi richiesti dal progetto architettonico, una struttura deve anche essere sicura ed efficiente. E sono proprio le esigenze di sicurezza ed efficienza a limitare, ma nello stesso tempo a guidare, la creatività strutturale. Progettare una struttura sicura ed efficiente richiede una conoscenza approfondita dei princìpi strutturali fondamentali quali equilibrio, stabilità, resistenza, rigidezza, duttilità, durabilità, oltre che delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali da costruzione. Ma non è tutto. È necessaria anche una certa familiarità con le modalità e le tecniche costruttive, che vanno adeguate al contesto e al materiale utilizzato. E infine è utile un linguaggio che favorisca la creatività, ad esempio quello della statica grafica, che permette di trattare e risolvere i temi della statica mantenendo un legame visivo tra forze e forma.3
Per secoli la statica grafica ha favorito la creatività strutturale. Nata come disciplina a sé stante solo alla fine del XIX secolo grazie all'opera di Karl Culmann,4 le prime applicazioni sistematiche dei metodi grafici sono tuttavia quelle di Jean Victoire Poncelet (1822)5 e Robert Hooke (1676),6 che fu il primo a esplicitare il legame tra la forma di un arco e quella di una catena sospesa. Questo legame era tuttavia già noto addirittura nel VI secolo, e venne utilizzato dall'architetto bizantino Farghán per progettare la forma dell'arco del Palazzo di Ctesifonte.7 In tempi molto più recenti anche Giovanni Poleni e Antoni Gaudí hanno fatto uso di modelli funicolari per scopi progettuali.8 Abbandonata a favore della statica analitica, la statica grafica è stata riscoperta solo a partire dalla fine del secolo scorso, per l'analisi delle costruzioni storiche nell'ambito dell'analisi limite,9 per la progettazione delle strutture in calcestruzzo armato attraverso il metodo dei campi di sforzo,10 e per l'ottimizzazione delle sezioni in calcestruzzo al fine di ridurre il consumo di cemento.11
Henry Lossier, ingegnere svizzero che ha operato nella prima metà del Novecento principalmente in Francia, oltre a un indubbio talento personale, svolgeva attività di ricerca sui materiali da costruzione e sulle tecniche costruttive ed era un esperto di statica grafica, non è dunque un caso che le sue opere possano essere prese come esempio di creatività strutturale.
La statica grafica
Henry Lossier nacque a Ginevra nel 1878 ed effettuò i suoi studi in ingegneria civile al Politecnico di Zurigo negli anni a cavallo tra la fine dell'Ottocento e l'inizio del Novecento. Si tratta proprio degli anni appena successivi alla pubblicazione del trattato di Karl Culmann sui metodi della statica grafica. Questa ricerca venne in seguito sviluppata dai suoi successori, Wilhelm Ritter dal 1873 al 1904 ed Emil Mörsch dal 1904 al 1916. Grazie a Culmann e ai suoi successori la statica grafica divenne una disciplina autonoma che si diffuse rapidamente in tutta Europa ed ebbe un'influenza enorme sulla progettazione di alcune delle più importanti strutture moderne. Maurice Koechlin, il co-progettista della torre Eiffel, fu allievo di Culmann. Robert Maillart studiò a Zurigo quando la cattedra era guidata da Ritter. In Italia, Luigi Cremona incluse i concetti di poligono delle forze e poligono funicolare, propri della statica grafica, nella sua teoria delle figure reciproche.12 Pier Luigi Nervi e Riccardo Morandi conoscevano i metodi grafici grazie all'eredità di Cremona. In Spagna Mariano Rubió y Bellvé, l'ingegnere di Gaudì, il costruttore di volte Rafael Guastavino, Eduardo Torroja e Félix Candela si formarono nell'ambito della statica grafica.13 Henry Lossier fu uno dei protagonisti della diffusione della statica grafica tanto che, dopo essersi diplomato come migliore del suo corso, ricoprì l'incarico di docente di statica grafica al Politecnico di Zurigo dal 1904 al 1906.14 Questo aspetto ha indubbiamente influenzato anche il suo lavoro professionale.
L'attività di ricerca
Nonostante già a partire dal 1908 abbia dedicato la maggior parte del suo tempo alla professione come progettista di strutture in calcestruzzo armato, la ricerca di Henry Lossier è stata ampia e proficua, incentrata principalmente su due tematiche: la ricerca teorica innovativa sul calcestruzzo e quella sui metodi costruttivi e di calcolo di specifiche tipologie strutturali in calcestruzzo armato (in particolare volte e ponti). L'interesse di Lossier per il calcestruzzo nasce dal particolare periodo storico in cui ha vissuto e operato, quello cioè della Prima guerra mondiale. Durante la guerra, infatti, la carenza dei tradizionali materiali da costruzione quali il legno e l'acciaio ha fatto sì che il calcestruzzo, materiale a quel tempo ancora poco conosciuto, assumesse un ruolo importante soprattutto per le costruzioni industriali a grandi luci.15
E dedicandosi a questo tipo di costruzioni emerge un aspetto particolarmente creativo del suo modo di progettare. Quando si ha a che fare con materiali nuovi, di cui non si conoscono ancora in maniera approfondita le caratteristiche fisiche e meccaniche, si tende spesso a riprendere forme che sono proprie di altri materiali più noti. I primi ponti in ghisa, ad esempio, riprendevano le forme dei più tradizionali ponti ad arco in pietra, non sfruttando quindi pienamente le proprietà del nuovo materiale. Lossier invece abbandona le forme piane tipiche delle costruzioni in legno e in acciaio e riscopre ed esplora forme che erano proprie delle costruzioni in pietra e muratura, le strutture ad arco e le volte. Nel suo articolo dedicato alle cupole e alle volte in calcestruzzo armato approfondisce le possibilità aggiuntive offerte dall'uso del calcestruzzo armato rispetto alla pietra e alla muratura, grazie alla resistenza a trazione fornita dall'armatura, analizzando anche le problematiche costruttive.16
Entra nel merito anche della tecnologia del calcestruzzo armato con un brevetto sull'armatura delle travi in calcestruzzo armato che migliorava l'adesione tra calcestruzzo e acciaio, a seguito di un'estesa campagna di prove eseguite presso i laboratori del Politecnico di Zurigo.17
L'attività di ricerca di Henry Lossier copre un periodo di oltre cinquanta anni e comprende tutte le tappe fondamentali dello sviluppo del calcestruzzo come materiale da costruzione. Anche questa intensa attività di ricerca è stata fondamentale per la formazione della sua creatività strutturale. Uno dei suoi progetti più famosi è l'hangar per dirigibili di Ecausseville, esempio di creatività strutturale frutto della sintesi tra talento, ricerca e formazione nell'ambito della statica grafica.
L'hangar per dirigibili di Ecausseville
Per far fronte all'intensificazione dell'attività bellica sottomarina della Germania, la Marina militare francese decise di costruire dodici hangar per dirigibili, che permettessero di accrescere la sorveglianza dei porti sulla costa della Manica e di scortare i convogli navali per difenderli dagli attacchi tedeschi.
L'hangar di Ecausseville è stato costruito tra il 1917 e il 1919 su progetto dell'ingegnere Lossier. L'edificio, lungo 150 metri, largo 40 metri e alto 31 metri, garantisce un profilo libero composto da un rettangolo di 24 metri di larghezza e 16 metri di altezza, sormontato da un semicerchio di 12 metri di raggio, che permette l'ingresso di un dirigibile. L'intera opera è costruita in calcestruzzo armato. La struttura portante principale è caratterizzata da 27 portali, posti a intervalli regolari di 6.25 metri, composti ciascuno da un arco a tre cerniere posto alla sommità di due piedritti a traliccio di forma triangolare. Su questi portali sono disposte delle travi longitudinali a sezione sottile sulle quali sono infine posati i tegoli di rivestimento, che fungono da pelle esterna. Le cerniere degli archi (fig. 6) sono costituite da indebolimenti della sezione in calcestruzzo e da una forte concentrazione delle barre d'armatura. Le barre che attraversano la sezione risultano compresse, mentre le staffe, perpendicolari all'asse dell'arco, permettono il frettaggio del calcestruzzo così da aumentarne la resistenza e, soprattutto, la duttilità. I tre tronconi strutturalmente indipendenti di 50 metri ciascuno, sono stabilizzati, in direzione longitudinale, da delle aste diagonali poste alle estremità di ogni troncone. Questi elementi, unitamente alle travi secondarie e ad alcune aste dei portali, formano dei tralicci stabili.
Altre barre longitudinali collegano i differenti portali, in modo da stabilizzare i correnti interni dei piedritti. La struttura è appoggiata mediante plinti di fondazione posti alle basi di ciascun piedritto. Sono diversi i motivi per cui questo edificio può essere considerato un esempio di creatività strutturale. Il primo è perché si adegua e risponde all'esigenza funzionale utilizzando una forma che massimizza lo spazio interno, ma allo stesso tempo riduce al minimo l'utilizzo di materiale sfruttandone al meglio le caratteristiche meccaniche. Per determinare la forma della volta Lossier si è sicuramente servito dei metodi della statica grafica, anche se la forma che ha scelto non è quella della catenaria, che sarebbe stata quella naturale per un carico uniformemente distribuito lungo lo sviluppo dell'arco, bensì quella semi-circolare, di più facile realizzazione, andando quindi a privilegiare gli aspetti costruttivi rispetto a quelli formali. Gli archi hanno comunque una sezione trasversale rettangolare di 40x90 centimetri, con armatura costituita da barre longitudinali e staffe, ed è quindi in grado di riprendere gli sforzi di flessione dovuti sia al discostamento (minimo) della forma realizzata da quella naturale del carico permanente, sia soprattutto a quella relativa alla situazione di carichi variabili asimmetrici e a quella di vento.
Infine, la creatività di questo progetto sta anche nell'utilizzo di un materiale relativamente nuovo, il cui comportamento era ancora poco conosciuto, ma sfruttandone a pieno le potenzialità. Le soluzioni progettuali e costruttive proposte da Lossier, a partire dalla forma fino al dettaglio delle cerniere, non sono infatti derivate dalle prassi costruttive proprie di altri materiali, ma sfruttano le caratteristiche fisiche e meccaniche del calcestruzzo.
L'attualità dell'approccio progettuale di Lossier
L'approccio progettuale di Henry Lossier è estremamente attuale e può essere preso come esempio di creatività strutturale anche ai nostri giorni. Il tema della sostenibilità ambientale ci costringe oggi a delle riflessioni che ci obbligano a rivedere delle abitudini progettuali che diamo per scontate. La produzione del cemento è una delle cause maggiori di emissione di anidride carbonica nell'atmosfera, e diventa ogni giorno meno sostenibile non preoccuparsi dell'ottimizzazione dell'uso del calcestruzzo nelle costruzioni. La statica grafica è sicuramente uno strumento utile ai fini dell'ottimizzazione in quanto, grazie alla possibilità di visualizzare in maniera efficace il legame tra forma e forze, il progettista è in grado di individuare le zone in cui è possibile risparmiare materiale. Infine, come Lossier ha sfruttato la contingenza della carenza di acciaio e legno per approfondire e sfruttare un nuovo materiale, anche noi oggi non dobbiamo aver paura di percorrere nuove strade ancora poco battute, sperimentare nuovi materiali e tecniche costruttive, rivedere a superare le prassi costruttive al fine di rispondere alle esigenze attuali di riduzione dell'inquinamento globale anche nell'ambito delle costruzioni.
Note
1 E. Torroja Miret, La concezione strutturale, Città Studi Edizioni, Milano 1995, prefazione: «La nascita di un complesso strutturale, risultato di un processo creativo, fusione di arte e tecnica, di ingegno e di ricerca, di immaginazione e di sensibilità, va oltre il regno della logica pura per varcare le arcane frontiere dell’ispirazione».
2 P.L. Nervi, Critica delle strutture. Rapporti tra ingegneria e architettura, in G. Neri (a cura di), Ingegneria, architettura, costruzione: scritti scelti 1922-1971, Città Studi, Milano 2014: «Molte volte si confonde l’opera del progettista strutturale con quella del calcolatore; credo opportuno mettere in luce la differenza che passa tra le due funzioni. La prima è ideativa, concettuale, dettata dal senso statico ed è accompagnata e consolidata da calcoli statici orientativi che permettono un dimensionamento approssimativo […]. La seconda ha un carattere astratto, è un’applicazione di formule o la risoluzione di un problema analitico, che può essere svolto senza nessun collegamento con il fatto statico che ne ha determinato l’impostazione».
3 J. Heyman, The crossing space and the emergence of the modern professional architect and engineer, «Construction History», 2016, n. 31(1), pp. 26-60; S. Miccoli, R. Guidotti, Conceptual design of structures as a meeting point between architects and engineers. An original example from Switzerland, in M.F. Hvejsel, P.J.S. Cruz ( a cura di), Structures and Architecture. A Viable Urban Perspective?, CRC Press, Leiden 2022, pp. 1255-1262.
4 K. Culmann, Die Graphische Statik, Meyer & Zeller (A. Reimman), Zürich 1875.
5 J.V. Poncelet, Traité de proprietés projectives des figures: ouvrage utile à ceux qui s’occupent des applications de la géométrie descriptive et d’opérations géométriques sur le terrain, Bachelier Libraire, Paris 1822.
6 R. Hooke, A description of helioscopes and some other instruments, John Martyn, London 1676.
7 S. Miccoli, L.M. Gil-Martín, E. Hernández-Montes, New historical records about the construction of the arch of Ctesiphon and their impact on the history of structural engineering, «Notes and Records», 2021; S. Miccoli, L.M. Gil-Martín, E. Hernández-Montes, L’importanza del Palazzo di Ctesfonte nella storia dell’ingegneria strutturale, in S. D’Agostino, F.R. d’Ambrosio, E. Manzo (a cura di), History of Engineering, Cuzzolin, Napoli 2022, pp. 125-138.
8 G. Poleni, Memorie istoriche della Gran Cupola del Tempio Vaticano, Stamperia del Seminario, Padova 1748; J. Tomlow, El modelo colgante de Gaudì y su reconstrucción. Nuevos conocimientos para el diseño de la Iglesia de la Colonia Güell, «Informes de la construcción», 1989, n. 41(404), pp. 57-72.
9 J. Heyman, The Stone Skeletone. Structural engineering of masonry architecture, Cambridge University Press, Cambridge 1995; S. Huerta, Mechanics of masonry vault: the equilibrium approach, in P.B. Lourenço, P. Roca (a cura di), Historical Constructions. Possibilities of numerical and experimental techniques, Universidade do Minho, Guimarães 2001, pp. 47-69.
10 A. Muttoni, J. Schwartz, B. Thürlimann, Design of concrete structures with stress fields, Birkhäuser, Basel 1996; S. Miccoli, R. Guidotti, E. Hernández-Montes, Graphic statics for the structural design of RC wall-and-slab spatial systems. The example of the retirement house in Giornico, in M. Di Prisco, M. Menegotto (a cura di), Italian Concrete Days 2020. Costruire in calcestruzzo: realizzazioni, ricerca, attualità e prospettive, GWMAX, Erba 2021, pp. 143-150.
11 F. Ranaudo, T. Van Mele, P. Block, A low-carbon, funicular concrete floor system: design and engineering of the HiLo floors, in H.H Snijder at al. (a cura di), IABSE Congress Ghent 2021. Structural Engineering for Future Societal Needs, IABSE, Zurich 2021,pp. 2016-2024.
12 L. Cremona, Le figure reciproche nella statica grafica, Tipografia di Giuseppe Bernardoni, Milano 1872.
13 E. Allen, W. Zalewski, Form and Forces. Designing efficient, expressive structures, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey 2010, p. 36.
14 Biographisches Dossier Henry Lossier (1878-) von Genf; PD Für Graphische Statik an Der ETH, 2021.
15 G. Espitallier, Les voutes en béton armé dans la couverture de bâtiments. Le hangar de Montebourg pour ballon dirigeable, «Le Génie Civil», 1919, n. 75 (10), pp. 213-218.
16 H. Lossier, Couples at voutes en béton armé, «Le Génie Civil», 1928, n. 92(23), pp. 564-566.
17 A. Vautier, Poutres et dalles en béton armé du système Lossier, «Bulletin technique de la Suisse Romande», 1903, n. 14, pp. 189-192.