206. Struttura efficiente

205. La struttura segue gli spazi sociali

207. Buoni materiali

208. Irrigidimento graduale

210. La disposizione di pavimenti e soffitti

213. La distribuzione finale dei pilastri

215. La soletta del piano terra

218. Muro a membrana

219. Volte da pavimento a soffitto

225. Cornici come bordi inspessiti

227. Pilastri connessi

228. Scala voltata

229. Lo spazio dei condotti

220. Tetto a volta

217. Travi perimetrali

216. Pilastri scatolati

N.B. Consulta sempre il testo originale per la completa comprensione del pattern.

Gli ingegneri di solito dicono che non c’è una risposta a questa domanda. Secondo la pratica ingegneristica attuale, è prima necessario fare una scelta arbitraria tra i sistemi di base possibili – e solo allora possibile utilizzare la teoria e il calcolo per fissare la dimensione dei membri all’interno del sistema scelto. Ma, la scelta di base stessa – almeno secondo il dogma prevalente – non può essere fatta dalla teoria.

Per chiunque abbia una mente curiosa, questo sembra abbastanza improbabile. Che una scelta fondamentale, come la scelta tra i sistemi di colonne e travi e i sistemi di muri portanti e i sistemi a volta, debba risiedere esclusivamente nel regno del capriccio – e che la miriade possibile di sistemi misti, che si trovano tra questi archetipi, non possa nemmeno essere considerata – tutto questo ha più a che fare con lo status della teoria disponibile che con qualsiasi intuizione fondamentale.

Infatti, come cercheremo ora di dimostrare, la soluzione archetipica migliore al problema di una struttura efficiente in un edificio è quella che si trova tra i tre archetipi più famosi. Si tratta di un sistema di muri portanti, supportati a intervalli frequenti da irrigidimenti spessi come colonne, e pavimentati e coperti da un sistema di volte.

Deriveremo il carattere della struttura più efficiente in tre fasi. In primo luogo, definiremo il carattere tridimensionale di un tipico sistema di stanze e spazi in un edificio. Definiremo quindi una struttura efficiente come la quantità più piccola e più economica di materiale stabile, posizionata solo negli interstizi tra le stanze, che può sostenere se stessa e i carichi generati dalle stanze. Infine, otterremo i dettagli di una struttura efficiente. Per una discussione simile, vedere Christopher Alexander, “An attempt to derive the nature of a human building system from first principles,” in Edward Allen, The Responsive House, M.I.T. Press, 1974.

I. Il carattere tridimensionale di un edificio tipico basato esclusivamente sugli spazi sociali e sul carattere delle stanze. Per ottenere questo da considerazioni fondamentali, esaminiamo prima la forma tipica delle stanze – vedi LA FORMA DELLO SPAZIO INTERNO (191) – e poi passiamo a derivare la struttura più efficiente per un edificio composto da questi tipi di stanze:

1. Il perimetro di ogni spazio, visto in pianta, è formato da segmenti che sono essenzialmente linee rette – anche se non devono essere perfettamente rette.
2. Le altezze del soffitto degli spazi variano in base alle loro funzioni sociali. A grandi linee, le altezze del soffitto variano con le superfici dei pavimenti – spazi grandi hanno soffitti più alti, quelli piccoli più bassi – VARIAZIONE DELL’ALTEZZA DEL SOFFITTO (190).
3. I bordi dello spazio sono essenzialmente verticali fino all’altezza della testa – cioè, circa 6 piediPiede 0,3048 m (304,8 mm). Al di sopra dell’altezza della testa, i confini dello spazio possono avvicinarsi allo spazio. Gli angoli superiori tra parete e soffitto di una stanza normale non servono a nulla, e quindi non è utile considerarli come parte essenziale dello spazio.
4. Ogni spazio ha un pavimento orizzontale.
5. Un edificio è quindi un insieme di spazi poligonali in cui ogni poligono ha una sezione trasversale a forma di alveare e un’altezza che varia in base alla sua dimensione.

Se seguiamo il principio di STRUTTURA SEGUE GLI SPAZI SOCIALI (205), possiamo assumere che questo array tridimensionale di spazi debba rimanere intatto e non essere interrotto da elementi strutturali. Ciò significa che una struttura efficiente deve essere una delle disposizioni di materiale che occupa solo gli interstizi tra gli spazi.

Possiamo visualizzare la struttura più rudimentale di queste possibili strutture mediante un semplice processo immaginario. Creiamo un blocco di cera per ciascuno degli spazi che appare nell’edificio e costruiamo un array tridimensionale di questi blocchi di cera, lasciando spazi vuoti tra tutti i blocchi adiacenti. Ora, prendiamo un “fluido strutturale” generalizzato e versiamolo su questo insieme di blocchi, in modo che copra completamente il tutto e riempia tutti gli spazi vuoti. Lasciamo che questo fluido si solidifichi. Ora dissolviamo i blocchi di cera che rappresentano gli spazi. La sostanza che rimane è la struttura edilizia più generalizzata.

II. La struttura più efficiente per un dato sistema di spazi.
È ovvio che la struttura immaginaria fatta dal fluido strutturale non è reale. E inoltre, è piuttosto inefficiente: se effettivamente realizzata, utilizzerebbe una grande quantità di materiale. Dobbiamo ora chiederci come realizzare una struttura simile a questa immaginaria, ma che utilizzi la quantità minima di materiale. Come vedremo, questa struttura più efficiente sarà una struttura di compressione, in cui piegamenti e tensioni sono ridotti al minimo e una struttura continua, in cui tutti i membri sono collegati rigidamente in modo che ciascun membro sopporti almeno una parte delle sollecitazioni causate da qualsiasi schema di carico.

1. Una struttura di compressione. In una struttura efficiente, vogliamo che ogni oncia di materiale lavori al massimo della sua capacità. In termini più precisi, vogliamo che lo stress sia distribuito uniformemente in tutto il materiale in modo che ogni pollicePollice 0,0254 m (25.4 mm) cubico sia stressato allo stesso grado. Questo non avviene, ad esempio, in una semplice trave di legno. Il materiale è più stressato nella parte superiore e inferiore della trave; il centro della trave ha solo stress molto bassi, perché c’è troppo materiale rispetto alla distribuzione dello stress.
   Come regola generale, possiamo dire che i membri soggetti a piegamento hanno sempre distribuzioni di stress irregolari e che quindi possiamo distribuire uniformemente gli stress in tutto il materiale solo se la struttura è completamente priva di piegamenti. In breve, quindi, una struttura perfettamente efficiente deve essere priva di piegamenti.
   Ci sono due possibili strutture che evitano completamente il piegamento: strutture di pura tensione e strutture di pura compressione. Anche se le strutture di pura tensione sono teoricamente interessanti e adatte a scopi speciali occasionali, le considerazioni descritte in MATERIALI DI BUONA QUALITÀ (207) le escludono in modo schiacciante per il fatto che i materiali a tensione sono difficili da ottenere e costosi, mentre quasi tutti i materiali possono resistere a compressione. Notare soprattutto che legno e acciaio, i due principali materiali a tensione nelle costruzioni, sono entrambi scarsi e non possono più essere utilizzati su larga scala per motivi ecologici – ancora una volta, vedere MATERIALI DI BUONA QUALITÀ (207).
2. Una struttura continua. In una struttura efficiente, non è solo vero che gli elementi individuali hanno distribuzioni di stress uniformi al loro interno quando sono caricati. È anche vero che la struttura agisce come un tutt’uno.
   Consideriamo, ad esempio, il caso di un cesto. I singoli fili del cesto sono deboli. Da soli, nessun filo può resistere a un carico elevato. Ma il cesto è così astutamente costruito, che tutti i fili lavorano insieme per resistere anche al carico più piccolo. Se si preme su una parte del cesto con il dito, tutti i fili del cesto – anche quelli nella parte più lontana dal dito – lavorano insieme per resistere al carico. E naturalmente, poiché l’intera struttura funziona come un’unica entità per resistere al carico, nessuna parte deve essere molto resistente individualmente.
   Questo principio è particolarmente importante in una struttura come un edificio, che affronta una vasta gamma di diverse condizioni di carico. Un minuto, il vento soffia molto forte in una direzione; in un altro momento un terremoto scuote l’edificio; negli anni successivi, il collasso disomogeneo ridistribuisce i carichi morti perché alcune fondamenta si abbassano più di altre; e, naturalmente, durante tutta la sua vita le persone e i mobili nell’edificio si muovono continuamente. Se ogni elemento deve essere abbastanza resistente, da solo, per resistere al carico massimo a cui può essere sottoposto, dovrà essere enorme. Ma quando l’edificio è continuo, come un cesto, in modo che ogni parte dell’edificio aiuti a sopportare anche il carico più piccolo, allora, naturalmente, la natura imprevedibile dei carichi non crea alcuna difficoltà. Gli elementi possono essere piuttosto piccoli, perché qualunque siano i carichi, la continuità dell’edificio li distribuirà tra gli elementi nel loro complesso, e l’edificio agirà come un tutt’uno contro di essi.
   La continuità di un edificio dipende dalle sue connessioni: continuità effettiva del materiale e della forma. È molto difficile, quasi impossibile, realizzare connessioni continue tra materiali diversi, che trasferiscano il carico in modo efficiente come un materiale continuo; ed è quindi essenziale che l’edificio sia fatto di un unico materiale, che sia effettivamente continuo da un membro all’altro. E la forma delle connessioni tra gli elementi è anch’essa vitale. Gli angoli retti tendono a creare discontinuità: le forze possono essere distribuite in tutto l’edificio solo se ci sono raccordi diagonali ovunque le pareti incontrano i soffitti, le pareti incontrano le pareti e le colonne incontrano le travi.

III. I dettagli di una struttura efficiente.
Se assumiamo ora che un edificio efficiente sarà sia compressivo che continuo, possiamo ottenere le principali caratteristiche morfologiche della sua struttura per deduzione diretta.

1. I soffitti, i pavimenti e le stanze devono essere tutti a volta. Questo segue direttamente. La forma a cupola o a volta è l’unica forma che funziona in pura compressione. I pavimenti e i tetti possono essere continui solo con le pareti, se curvano verso il basso ai bordi. E la forma degli spazi sociali lo invita direttamente – dato che il triangolo di spazio tra la parete e il soffitto non serve a nessuno scopo utile, è un luogo naturale per il materiale strutturale.
2. Tutte le pareti devono essere portanti. Ogni partizione non portante contraddice evidentemente il principio di continuità che dice che ogni particella dell’edificio sta aiutando a resistere ai carichi. Inoltre, le colonne con partizioni non portanti tra loro necessitano di un supporto di taglio. La parete fornisce questo naturalmente; e la continuità delle pareti, del pavimento e del soffitto può essere creata solo dall’azione di una parete che le unisce.
3. Le pareti devono essere irrigidite a intervalli lungo la loro lunghezza da nervature colonnari. Se una parete deve contenere una determinata quantità di materiale, allora la parete agisce in modo più efficiente quando il suo materiale è redistribuito, in modo non omogeneo, per formare nervature verticali. Questa parete è più efficiente nel resistere al buckling – infatti, con la maggior parte delle spessori questo tipo di irrigidimento è effettivamente richiesto per consentire alla parete di agire alla sua piena capacità di compressione – vedi DISTRIBUZIONE FINALE DELLE COLONNE (213). E aiuta a resistere ai carichi orizzontali, perché gli irrigidimenti agiscono come travi contro le forze orizzontali.
4. Le connessioni tra le pareti e i pavimenti e tra le pareti e le pareti devono tutte essere irrobustite da materiale aggiuntivo che forma un raccordo lungo il giunto. Le connessioni sono i punti più deboli per la continuità, e le connessioni ad angolo retto sono le peggiori. Tuttavia, sappiamo da LA FORMA DELLO SPAZIO INTERNO (191) che non possiamo evitare angoli retti grezzi dove le pareti si incontrano; e naturalmente, devono esserci angoli retti grezzi dove le pareti incontrano i pavimenti. Per controbilanciare l’effetto dell’angolo retto, è necessario “riempire” l’angolo con materiale. Questo principio è discusso in COLLEGAMENTI TRA COLONNE (227).
5. Le aperture nelle pareti devono avere telai irrobustiti e arrotondamenti negli angoli superiori. Questo segue direttamente dal principio di continuità ed è ampiamente discusso in TELAI COME BORDI IRROBUSTITI (225).

Il layout delle volte interne è fornito in LAYOUT DI PAVIMENTO E SOFFITTO (210) e VOLTE PAVIMENTO-SOFFITTO (219); il layout delle volte esterne che formano il tetto è dato in LAYOUT DEL TETTO (209) e VOLTE DEL TETTO (220). Il layout degli irrigidimenti che costituiscono le pareti è dato in DISTRIBUZIONE FINALE DELLE COLONNE (213); il layout dell’irrobustimento dove le pareti si incontrano è dato da COLONNE NEGLI ANGOLI (212); l’irrobustimento dove le pareti incontrano le volte è dato da TRAVI PERIMETRALI (217); la costruzione delle colonne e delle pareti è data da COLONNE A SCATOLA (216) e MEMBRANE PER PARETI (218); l’irrobustimento di porte e cornici delle finestre è dato da TELAI COME BORDI IRROBUSTITI (225); e la connessione non ad angolo retto tra colonne e travi da COLLEGAMENTO COLONNA (227).

da: C. Alexander et al., A Pattern Language, Oxford University Press, New York, 1977