PRIMATO TECNOLOGICO

Il desiderio insito nell’uomo di sfidare la forza di gravità e di raggiungere le grandi altezze si tradusse in realtà solo con la rivoluzione industriale. L’aumento di popolazione delle città industrializzate creò l’immediata necessità di costruire a più piani per consentire a un maggior numero di persone di vivere e lavorare su una stessa superficie.
L’invenzione del primo prototipo di mezzo di trasporto verticale, l’ascensore, ad opera di Otis nel 1850, segnò il primo passo di quella strada che porterà alla costruzione di edifici alti oltre i tradizionali sei piani. Cosi, prima ancora del ventesimo secolo, era cominciata l’era dei grattacieli.
Le nuove costruzioni a sviluppo verticale richiedevano l’uso di materiali e di tecniche adatti a sopportare il peso di tali strutture.
Fu alla fine dell’800 che la Scuola di Chicago inaugurò l’uso della ghisa e dell’acciaio nelle strutture di edifici di venti o trenta piani. L’incremento della produttività industriale finì poi per orientare nella direzione utile al suo mantenimento lo sviluppo tecnologico, delegato a fornire, allora come oggi, strumenti, soluzioni e tecniche funzionali alle esigenze del momento.
Sono trascorsi molti anni ma i problemi sorti all’inizio del secolo con la costruzione dei primi grattacieli, in termini di congestione volumetrica e di squilibrio ambientale, sono oggi non solo immutati ma fortemente aggravati da un uso sempre più sofisticato di una tecnologia funzionale al superprofitto, di cui Khan registra attentamente la parabola ascendente, e dall’inadeguatezza, se non assenza, di pianificazione e controllo dell’ambiente.
L’invenzione del primo tipo di ascensore ad opera di Otis nel 1850 apri la strada alla costruzione di edifici più alti dei tradizionali sei piani. Così, prima ancora dell’inizio del ventesimo secolo, si sviluppò un nuovo tipo verticale di città sia in occidente che, soprattutto, in America. Era cominciata l’era dei grattacieli.
Il nuovo tipo verticale di costruzioni provocò la necessità di trovare materiali migliori. Le tradizionali costruzioni con pareti di supporto in pietre, mattoni, ed altri materiali usati dai muratori, non erano abbastanza efficienti. I muri di una costruzione di venti piani avrebbero dovuto essere spessi sei piedi (183 cm), come era infatti nel Monadnock Building di Chicago, uno dei punti di riferimento dell’architettura americana del diciannovesimo secolo. Le tradizionali pareti di supporto non potevano affrontare la sfida di costruzioni più alte efficienti ed economiche. Era necessario trovare altri materiali e nuove tecniche di costruzione. Per fortuna, in una rapida successione di tempo si potè usufruire nell’edilizia sia della ghisa che dell’acciaio.
I grattacieli della fine ‘800, che raggiungevano i venti o trenta piani, erano tutti costruiti con ghisa e con le prime parti strutturali di acciaio. L’aumento della prosperità industriale e della popolazione in America, insieme allo sviluppo della tecnica di costruzione con telai in acciaio, inaugurò un intenso periodo di costruzione di grattacieli nei maggiori centri urbani, a partire da Chicago, e quindi nelle altre città, sino ad arrivare alla massima concentrazione a New York. La costruzione delle strutture in acciaio portò una nuova espressione architettonica, più diretta, senza le pseudo-facciate vagamente greche e romane. Per questo stile architettonico ci si riferisce comunemente alla Scuola di Chicago: la semplicità strutturale di questa scuola americana fu probabilmente facilitata sia dalla mancanza di precedenti tradizioni nello stile architettonico del paese, che dalla mancanza di città storiche con forme architettoniche stabilite. L’approccio tecnologico e pragmatico alla forma della Scuola di Chicago fece della struttura trave-colonna una tradizione nella costruzione di grandi edifici e, come accade forse a tutte le tradizioni, ne determinò una certa rigidità d’uso.
Il telaio trave-colonna rigido o semirigido poneva pesanti limitazioni economiche rispetto all’altezza: cosi man mano che le costruzioni si alzavano, il costo di questi edifici diventava sproporzionatamente alto. Quando era necessario ottenere un’alta densità edili
zia, invece di costruire edifici più sottili e più alti, i proprietari costruivano per un’altezza di circa 20 piani, da un isolato all’altro, come il Merchandise Mart di Chicago, che si estende per 5.000.000 di piedi quadrati: un solo edificio. Questi edifici si estendevano sopra l’intera area e non vi erano spazi aperti al piano terra per piazze od altre attività. Il risultato fu che alla fine del 1950, i centri urbani in America si trovarono congestionati volumetricamente. L’ambiente al livello delle strade era ridotto ad essere buio e lugubre. La mancanza di aria fresca e di sole era cronica per quasi tutto il giorno. Ne risultò che in molte parti del mondo, dove lo sviluppo urbano era in via di espansione, gli edifìci più alti apparvero come elementi disumanizzanti e degradanti e molto spesso si attribuì ad essi la colpa dei problemi urbani invece di riconoscere il fallimento della pianificazione dell’intero ambiente. Per creare un ambiente urbano nelle condizioni sociopolitiche attuali di alta densità bisogna trovare nuovi sistemi strutturali che rendano possibile la costruzione di edifici alti allo stesso prezzo degli edifici bassi.
Il processo evolutivo dei sistemi strutturali Per capire meglio il processo evolutivo che conduce allo sviluppo dei sistemi strutturali più nuovi, si devono considerare le tre caratteristiche di base degli edifici alti costruiti negli anni Trenta. Primo, un interasse tra pilastri di circa 20 piedi era considerato adeguato per uffici. Oggi è considerato adeguato un minimo di circa 40 piedi. Infatti se l’interasse è più grande lo spazio è migliore. Secondo, le divisioni erano generalmente fatte in solida muratura tra piano e piano, aumentando considerevolmente la rigidità di tutto l’edificio. Oggi la maggior parte dei divisori sono mobili,quindi poco pesanti e poco rigidi. Terzo, le pareti esterne erano generalmente fatte di solida muratura o pietra, e l’apertura delle finestre si risolveva in una piccola percentuale rispetto alla superficie totale della parete. Oggi l’esterno è generalmente applicato alla struttura come un involucro (non rigido) indipendente dalle dilatazioni. Queste tre caratteristiche delle prime strutture a telaio erano aggiunte alla rigidità laterale e alla durezza del telaio strutturale. In una costruzione teoricamente progettata per un fattore di oscillazione di 1/250 rispetto alla sua altezza (il che significa che a un edificio di 250 piedi corrisponde una oscillazione di 1 piede sotto un vento di tempesta) tali rinforzi procurerebbero una oscillazione mai oltre 1/600 della sua altezza sotto la forza del peggior vento. Per molti edifici alti costruiti negli anni Trenta era perciò possibile limitare la progettazione del telaio strutturale soltanto ai pesi propri e ai sovraccarichi, e non lare controlli estensivi per la spinta laterale sotto la forza del vento. I particolari architettonici e i metodi di costruzione attuali rendono la struttura molto più stabile di quanto non sia mai stata. I calcoli teorici di oscillazione laterale sotto la forza del vento si rivelano concretamente esatti nelle realizzazioni. Con gli anni, mentre gli edifici venivano costruiti sempre più alti, i criteri di progettazione si spostavano dalla forza della sua struttura legata al peso alla consistenza della resistenza laterale, che elimina le fenditure delle pareti divisorie e la percezione del movimento di oscillazione. Se un edificio oscilla troppo sotto la forza del vento può causare gravi tensioni psicologiche e fisiche negli abitanti.
Concedo di “premio per l’altezza” La procedura generale nella progettazione di strutture alte è quella di progettare i componenti per carichi fissi e mobili, controllando poi l’intera struttura per la rigidità laterale. Se la struttura indica una spinta laterale insopportabile sotto il peso del vento, le travi, o i pilastri, o entrambi vanno costruiti più rigidi, aumentandone la dimensione per limitare la spinta ad un valore accettabile, generalmente tra 1/1000 e 1/500. Se si suppone un edificio completamente chiuso in una ipotetica cupola di vetro, che lo protegge dalle forze del vento, allora tale edificio, ben progettato per la sua altezza e la sua luce, si potrebbe definire il “progetto
tura deve essere immediatamente progettata non solo per resistere alla spinta laterale del vento, ma anche agli sforzi che si scaricano sulle strutture laterali perimetrali. Quindi una considerevole quantità di materiale deve essere aggiunta alle travi ed ai pilastri. Questo materiale, aggiunto in relazione alla soluzione di progetto ottimale, può essere chiamato “premio per l’altezza”. Il concetto e’ applicabile similarmente alle oscillazioni sismiche. Le due curve in basso mostrano la quantità di acciaio richiesta per l’unità media di superficie tra pilastri di 20 piedi chiuse in una ipotetica cupola di vetro. Il diagramma superiore è relativo allo studio di un gran numero di costruzioni esistenti nelle varie città degli Stati Uniti. Nonostante la notevole dispersione del disegno, il diagramma superiore dimostra chiaramente la situazione dell’arte di progettare la convenzionale struttura a telaio trave-pilastro. La differenza tra la curva superiore e quella inferiore per qualunque altezza della costruzione e il premio per tale altezza. E’ evidente che sia il diagramma superiore che quello inferiore sono uguali fino ad un’altezza di circa 10 piani. Al di sopra di questi lo stacco tra essi aumenta rapidamente, tanto che, se si dovesse disegnare un edificio di 100 piani come una struttura convenzionale trave-pilastro a telaio in acciaio, il premio per l’altezza supererebbe del 100% il peso ottimale della struttura in acciaio. Per le strutture in cemento possono essere disegnati diagrammi simili che dimostrano il costo unitario totale per piede quadrato dell’area del pavimento in proporzione al numero dei piani.
La risposta alla questione di come fare una struttura “libera dal premio” per un edificio alto sta nel concetto di aumentare la rigidità della struttura senza aumentarne il peso o il costo unitario totale. Sarà utile una breve discussione sulla formazione dell’oscillazione laterale in una struttura a telaio tradizionale.. Sotto ogni carico laterale, l’edificio tende a muoversi orizzontalmente. Vi sono due componenti in questi movimenti orizzontali: uno, effetto della trave a sbalzo, causato da forze assiali nei pilastri, è dovuto a un momento-movimento ribaltante. L’altro, causato dalla rottura da taglio, è dovuto al ruotare di travi e colonne sui giunti: conseguentemente alla rotazione dei giunti il piano avanza rispetto al piano inferiore. Negli edifici a tradizionale struttura rigida, questo movimento è circa del 90% rispetto al movimento globale, mentre il movimento della trave a sbalzo è soltanto del 10% circa. Lo sviluppo dei sistemi strutturali più nuovi è basato sulla possibilità di ridurre l’effetto di rottura da taglio con differenti mezzi. La parte di movimento dovuto alla trave a sbalzo che è normalmente del 10% circa non può essere ridotta in maniera soddisfacente poiché è indifferente alla struttura del telaio ed è soprattutto controllata dai movimenti ribaltanti. D’altro canto, poichè la rottura da taglio è quasi del 90% rispetto al movimento totale e non può essere ridotta cambiando le configurazioni strutturali, l’obiettivo principale dei progettisti di strutture negli anni recenti è stato quello di trovare nuovi sistemi nei quali la proporzione del movimento totale causato da rottura da taglio fosse drasticamente ridotta.
Concetto di pilastri a telaio Le costruzioni in cemento armato assunsero un ruolo decisivo nelle prime applicazioni di questo sistema “senza premio”, benché sia solo in questi ultimi 20 anni che il cemento armato ha trovato un uso sempre crescente nelle costruzioni di edifici alti. Agli inizi del 1900, il numero di costruzioni realizzate secondo tale tecnica fu limitato soltanto a quelle di pochi piani. Il sistema di costruzione usato, quello a telaio trave-pilastro o sistema a piastra in calcestruzzo, rendeva relativamente dispendiose e quindi economicamente inattuabili le costruzioni di edifici più alti. Negli anni ’50 fu introdotto il tipo di costruzione a travi-pareti sollecitate a taglio. Immediatamente questo sistema venne usato per edifici per appartamenti ed uffici alti trenta piani. E’ un esempio eccellente il grattacielo Pirelli a Milano progettato da Pier Luigi Nervi. Gli edifici più alti restano ancora economicamente poco interessanti poiché le travi-pareti sollecitate a taglio usate soprattutto all’interno dell’edificio erano di dimensioni relativamente ridotte rispetto all’altezza di tali costruzioni, causando quindi eccessivi problemi di deformazione. Era ovvio che le dimensioni totali del nucleo centrale erano troppo piccole per provvedere economicamente alla stabilità ed alla rigidità di costruzioni sopra i trenta o quaranta piani. La competitività consisteva quindi nel ricercare nuovi sistemi che avrebbero utilizzato le configurazioni perimetrali di tali edifici piuttosto che la configurazione del nucleo. Lo sviluppo del sistema a telaio era perciò un risultato logico di questo sfida. Tale sistema nella sua forma più semplice consiste di pilastri esterni poco distanziati uniti gli uni agli altri da travi con profondi portali, volti a creare l’effetto di un tubo in cemento, con aperture per le finestre. Il sistema simula un tubo vuoto, che adopera pilastri a distanza ravvicinata nella struttura di perimetro. Tale sistema fu probabilmente applicato per la prima volta nel progetto dell’edificio di quarantatre piani DeWitt Chestnut nel 1963. Da allora tale tecnica ha ricevuto una vasta accoglienza tra i progettisti di tutto il mondo, sia per costruzioni in cemento che in acciaio, e attualmente se ne stanno usando molte varianti. I due grattacieli gemelli di 109 piani del World Trade Center di New York, terminati nel 1973, sono i più alti edifici (1350 piedi) progettati sul principio del tubo. Le proporzioni del sistema strutturale richiedono considerevoli studi perfezionati, per stabilire i criteri ottimali per le necessità architettoniche e strutturali. Va tuttavia sottolineato che l’eccessiva vicinanza dei pilastri è altrettanto dannosa dell’eccesso di distanza. L’autore ha proposto un metodo di analisi semplificato per la determinazione della distanza ottimale.
Per un calcolo preliminare della resistenza globale e della deformazione dell’edificio, la effettiva configurazione del tubo potrebbe essere ridotta a due canali equivalenti resistenti alle spinte globali di ribaltamento. La esperienza indica che nel progetto preliminare le flange del canale non dovrebbero superare la metà della dimensione della zona intermedia (pareti parallele alla spinta laterale), o più del 10% circa dell’altezza dell’edificio.
Flessibilità architettonica Il sistema a telaio tubolare non soltanto ha eliminato le configurazioni strutturali piùrestrittive dei solai in cemento armato ma
ha anche aperto la possibilità di creare spazi interni liberi più ampi.
Per esempio, negli edifici a struttura tradizionale non poteva essere creato facilmente uno spazio interno di due o tre piani perché le travi dei pavimenti e le travi maestre erano elementi vitali del sistema di resistenza laterale. Nel telaio tubolare le travi dei pavimenti e le piastre interne agiscono solo come diaframmi orizzontali, contribuendo solo marginalmente alla rigidità e alla forza del tubo. Essi quindi possono essere eliminati occasionalmente per creare spazi volumetrici più ampi. Questo sistema perciò aumenta le possibilità architettoniche e distributive Con la struttura a tubo talvolta si possono invece incontrare problemi maggiori al piano terra dove sono necessarie aperture più ampie per gli ingressi ed altre necessità. Se non è necessaria una spaziatura maggiore tra i pilastri al piano terra, la griglia ininterrotta fornisce un’espressione architettonica strutturale forte e chiara dell’intero edificio, come nel caso del National Life Insurance Building di Nashville. Se al piano terra sono necessarie più vaste aperture, alcuni degli elementi verticali dell’intelaiatura a tubo devono poggiare su di una trave di trasferimento relativamente spessa al livello del secondo solaio. Nel Brunswick Building il problema del trasferimento fu risolto in modo eroico. I pilastri con spaziatura di 9′ e 4″ terminano su una trave di trasferimento larga 8″ e profonda 24″, che si estende per 56 piedi lungo il perimetro della costruzione. Fortunatamente lo spazio dietro la trave di trasferimento potè essere usato efficacemente per le attrezzature meccaniche e la lunga apertura della trave fu giustificata riducendo il numero dei cassoni, scavati nella roccia per 120 piedi. Storicamente, quando le pareti portanti erano di muratura (mattone o pietra), il trasferimento delle mura portanti solide al piano terra veniva risolto con un arco. Ouesta era una soluzione strutturale diretta. Lo schema del movimento di carico in una parete rigida sostenuta da pilastri con largo interasse dimostra che i carichi tendono a fluire nella direzione di queste colonne supportanti lungo i colmi di un arco invisibile. Per ché non trovare una risposta simile per la parete a griglia?
La fondamentale conoscenza del moto dei pesi su una parete portante fu usata per il Marine Midland Bank Building di Rochester. Questo trasferimento strutturale definisce ed esprime matematicamente e visualmente la forza e la proporzione strutturale richieste per ogni singolo elemento di griglia fino ai primi sei piani sopra il livello di trasferimento. L’espressione risultante è un ritorno ai tradizionali archi nei muri portanti.
Sistema “tubo nel tubo” Di fronte alla necessità di studiare una soluzione economica ottimale per il Brunswick Building di Chicago, alto 38 piani, si combinò un sistema strutturale esterno a intelaiatura tubolare con intervalli di 9′ e 4″ con nucleo interno di pareti di taglio. Fu creato cosi uno spazio per uffici a luce libera, senza pilastri tutt’intorno al nucleo. Questo, fu il primo passo nell’evoluzione del “tubo nel tubo”. Più tardi nell’One Shell Plaza Building, Houston, di 52 piani, l’autore affinò questo concetto: un sistema di pilastri esterni molto ravvicinati insieme ad un nucleo di pareti di taglio che racchiude l’area dei servizi centrali. Questo sistema di un tubo dentro il tubo rese possibile progettare l’One Shell Plaza Building di 52 piani al prezzo unitario della tradizionale struttura a pareti di taglio di soli 35 piani. L’edificio risultante è alto 775 piedi dal livello delle fondamenta e fino al 1975 fu l’edificio in cemento armato più alto del mondo, con una grande resistenza (6000 libbre per pollice quadrato) e basso peso di cemento per l’intera struttura.
Intelaiatura tubolare diaframmata Per costruzioni più alte di 600′, o là dove i lati del tubo sono troppo larghi, un miglior funzionamento da “vera trave a sbalzo” può essere realizzato procurando una o più pareti-diaframma addizionali collegate alle opposte facciate. Queste pareti-diaframma possono essere pareti di taglio con aperture sfalsate o intelaiature. Studi fatti dall’autore nel ’65 su un edificio per appartamenti di 92 piani in cemento, all’Illinois Institute of Technology, hanno provato la validità di questo principio. Il Water Tower Place di 76 piani in cemento armato, con un’altezza di 859 piedi è ora la costruzione in cemento armato più alta del mondo. Il sistema utilizzato è quello della struttura a tubo modificata.
Concetto di tubi aggregati Il tubo diaframmato può essere considerato come un accostamento simulato di tubi più piccoli, collocati fianco a fianco. E’ basandosi su questa osservazione visiva che l’autore propose il concetto di tubi assemblati. In linea di massima, tubi più piccoli rettangolari, quadrati o con altra forma geometrica appropriata possono essere raggruppati per aree di superficie più grandi di forme variate. Improvvisamente, le possibilità architettoniche per forme e dimensioni divennero immensamente varie. Due recenti esempi significativi del concetto di tubi assemblati in edifici progettati strutturalmente dall’autore e dall’architetto Bru- ce Graham, sono la Sears Tower di Chicago di 110 piani ed il palazzo della Ohio National Bank di 28 piani a Columbus nell’Ohio. Mentre la Sears Tower è tutta in acciaio, il palazzo dell’Ohio National Bank usa cemento armato per gli elementi scatolari. In un certo senso, essi sono simili in quanto i singoli tubi si interrompono gradatamente con l’altezza per creare diverse superfici di piano lungo l’altezza della costruzione come dettato dall’uso funzionale dello spazio.
La Sears Tower e poi il palazzo della Ohio National Bank presentano soluzioni significative differenti dalla forma dei primi grattacieli. Usando tubi a telaio secondo la tecnica dell’aggregazione e col diminuire graduale di ogni elemento è possibile realizzare una larga varietà di rapporti e di masse, a secondo delle specifiche necessità. La flessibilità funzionale può ora condurre ad una flessibilità visiva.
Interazione della travatura elastica con travature a nastro rigide Nelle strutture in acciaio l’efficienza di una travatura verticale con sollecitazione di taglio interagente con la restante struttura dell’edificio può essere ulteriormente migliorata in termini di forza laterale congiungendo tutti i pilastri esterni alla travatura interna, mediante fasce di travature orizzontali. L’aggiunta di queste travature a nastro normalmente aumenterà la consistenza dell’intera struttura di circa il 30%; e ciò determina un’economia strutturale considerevole. Sebbene le travature a telaio di sostegno fossero già usate con scopi simili a questi nel Dominican National Bank Building di Toronto, Canada, il sistema completo di travatura a nastro a due livelli dell’edificio, uno a metà altezza ed uno in cima all’edificio, è stato usato per la prima volta !al l’autore nel BHP Headquarters di Melbourne nel 1968, che, con 43 piani, è ora il più alto edificio di quella città. Va notato che il sistema a travatura a nastro a metà altezza dell’edificio sostanzialmente contribuisce all’aumento della consistenza del telaio strutturale. Un vantaggio ulteriore consiste nella possibilità di neutralizzare la maggior parte degli effetti dei movimenti termici sui pilastri interamente o parzialmente esposti dell’edificio.
Un uso più recente (1973) e forse architettonicamente più espressivo di questo sistema è stato fatto per il First Winsconsin Bank Building a Milwaukee di 42 piani. Architetto di entrambe queste costruzioni era Bruce Graham.
Travatura ad aste diagonali
I pilastri esterni di un edificio possono avere un interasse ragionevolmente grande e possono lavorare insieme poiché una trave li unisce attraverso aste diagonali che intersecano la mezzana di questi pilastri e portali. Per costruzioni estremamente alte, le diagonali dovrebbero avere approssimativamente un’angolatura di 45° risultanti in incroci largamente spaziati, come fu usato nel John Hancock Center di Chicago di 100 piani. Quest’uso di aste diagonali per unire i pilastri a grande interasse fa in modo che le stesse agiscano anche come pilastri inclinati e che non sviluppino nessuna spinta di tensione perfino sotto l’influenza del
dualistica delle diagonali, agenti come pilastri inclinati e atti ad assorbire anche la maggior porzione di forza di taglio dovuta al vento, l’efficienza del sistema strutturale è molto elevata.
La costruzione di edifici destinati solamente ad uffici impegna una grande area della città ad un unico scopo e crea un ambiente artificiale che rimane vivo soltanto per alcune ore della giornata. Attualmente si sta tentando di riportare nell’ambiente costruito varie attività integrando spazi residenziali e di lavoro. Ciò conduce alla ricerca di forme più appropriate anche dal punto di vista strutturale. Il John Hancock Center di Chicago alto 100 piani in questo senso è un precursore. In ultima analisi economicamente non si possono costruire edifici più alti o più larghi dell’Hancock, a meno che non si trovino sistemi strutturali che non paghino “premio per l’altezza” e forniscano anche una flessibilità per diversi tipi di strutturazione interna.
La prima possibilità è quella di avere un telaio esterno come quello del John Hancock, ma eliminando completamente i pilastri interni e lasciando il volume interno libero. Entro questa configurazione di base si potrebbe provvedere una travatura di trasferimento diciamo ogni 20 piani, su di un modulo strutturale secondario. Queste travature possono quindi supportare i pilastri interni distanziati secondo il tipo di strutturazione richiesta da scopi specifici. Per esempio negli spazi destinati ad abitazioni l’interasse dei pilastri potrebbe essere di 20 piedi; negli spazi destinati ad uffici od ad uso commerciale i pilastri secondari possono avere un interasse di 40 piedi; per Io spazio destinato al parcheggio si potrebbe avere un interasse di 60 piedi; e dove sono richiesti spazi aperti, lo spazio interno può essere lasciato senza pilastri. Il vantaggio strutturale per costruzioni di 120 o 130 piani, naturalmente è che il peso totale morto o vivo sarebbe sempre trasferito da ogni piano soltanto sui pilastri esterni migliorando così la inerente capacità della struttura volta a sostenere le spinte del vento e dei terremoti. Anche se ci fosse qualche premio per le travature di trasferimento intermedio, la profondità di tali travature potrebbe essere di 2 o 3 piani, per cui il premio per tutta la costruzione sarebbe relativamente modesto. Due studi architettonici recenti sono stati fatti all’I.I.T., uno da Heinz Sieber e l’altro da Michael Breitman, e sono stati basati sul concetto delle mega-strutture.
Il progetto di Heinz Sieber solleva qualche interessante possibilità di disposizione delle finestre per quegli edifici destinati a molti scopi, come appare nello sviluppo verticale. L’intero edificio verrebbe progettato da un ingegnere strutturalista e da un architetto supervisore, e una volta deciso lo scheletro di base e la superstruttura, le sezioni dell’edificio per le differenti funzioni possono essere affidate a vari costruttori ed architetti-ingegneri per progettare in una maniera globalmente coordinata. Forse si possono includere nell’edificio di base tutti i servizi meccanici. Nella ricerca di un sistema strutturale appropriato per alti edifici sia il cemento armato che l’acciaio strutturale sembrano avere il loro sistema similare equivalente. Tuttavia e naturale che ogni materiale fornisca una sua propria forma caratteristica. Un buon esempio proposto dall’autore è un sistema cemento armato, che è l’equivalente del sistema a pilastri con aste diagonali in acciaio per il John Hancock Center di Chicago. Onesto sistema in cemento fu sperimentato teoricamente in una tesi di laurea all’I.I.T. da Robin Hodgkison, con la consulenza architettonica di Myron Goldsmith. Il sistema equivalente di pilastri a travature in cemento consiste di pilastri esterni con un interasse di circa 10 piedi e finestre cieche ad ogni piano in un disegno diagonale. Tutti i carichi laterali sono contrastati direttamente per mezzo della configura/ione diagonale simile alle aste diagonali del John Hancock Center. I pilastri a piccolo interasse portano i carichi di gravità al terreno e sono notevolmente piccoli poi- ché non sono soggetti ai carichi del vento. La parte interna dell’edificio è costituita da pareti resistenti alle forze di taglio che racchiudono il nucleo centrale dei servizi: pareti sottoposte a forze di taglio possono essere parzialmente eliminate nei piani superiori quando gli ascensori diminuiscono. I’ apertura tra il nucleo esterno ed interno, fornisca uno spazio aperto per uffici o appartamenti.
La lunga apertura trasferisce i pesi al sistema dei muri esterni, assicurando quindi una maggiore stabilità e rigidità all’intero edificio. Questo sistema venne usato nella tesi di Hodgkison per dimostrare che i progetti di sviluppo ad alla densità ora realizzati con un gran numero di edifici a media altezza possono benissimo essere trasformati in pochi edifici molto alti di questo tipo. Con questa soluzione si ottengono spazi aperti a livello del terreno e un ambiente molto più vivibile ed interessante.
La soluzione sviluppata da Hodgkison era applicata all’area di ristrutturazione dell’Ilinois Central di Chicago, che in realtà ora sta riempiendo di un gran numero di costruzioni di 30 piani. I suoi edifici di 110 pia- i che proponevano queste soluzioni erano progettati realisticamente ed erano studiati
per l’altezza”. Le proporzioni dei pilastri, dei muri e le finestre progettate erano architettonicamente accettabili e strutturalmente costruibili. Date le giuste premesse, questo tipo di struttura troverà la sua via di realizzazione in un prossimo futuro.
Sistemi composti
Nella struttura “tubo nel tubo” il muro sotto pressione di taglio del nucleo centrale può ridurre drasticamente la flessibilità di pianificazione dell’area interna. Per esempio quando gli ascensori terminano gradualmente a diversi livelli di altezza, lo spazio libero non può essere recuperato in maniera efficiente poiché i muri di taglio non possono essere improvvisamente eliminati. Nelle alte strutture in acciaio il vantaggio più importante naturalmente e che la struttura può essere costruita a una velocità relativamente sostenuta, in genere un piano ogni tre giorni, mentre nelle costruzioni in cemento ci vogliono almeno sette giorni per ogni piano, secondo una previsione ottimistica. Negli edifici di acciaio i nuclei centrali sono molto più flessibili che nelle costruzioni in cemento ed ogni area libera, data dalla eliminazione degli ascensori, può essere immediatamente utilizzata come area completamente sfruttabile sistemando i muri divisori in modo appropriato. Dove è realizzabile economicamente e praticamente l’uso di entrambi i materiali, perché non combinare i vantaggi ed eliminare gli svantaggi con un sistema composto? Questo è ciò che portò l’autore a studiare il sistema che consiste nell’utilizzare pilastri strutturali in acciaio, travi e solai all’interno dell’edificio e struttura scatolare a telaio in cemento armato per pilastri e portali con breve interasse, che agiscono quanto i muri delle finestre. Per mantenere il costo della costruzione uguale al normale costo per una costruzione in acciaio ed anche per mantenere la lavorazione strutturale in acciaio separata dalla lavorazione in cemento armato, l’intera struttura interna di acciaio è costruita prima della struttura esterna con rivestimento in cemento. Due delle maggiori costruzioni recenti che adottano questo sistema sono l’Union Station Building di Chicago di 45 piani e l’One Shell Square Building di 52 piani di New Orleans. La quantità di acciaio strutturale usato in questo sistema è approssimativamente la metà di quella necessaria per una costruzione in acciaio. I vantaggi dello spazio architettonico rimangono quindi gli stessi di quelli presenti in un sistema scatolare.
Sistema di mattoni portanti o di muratura a blocchi di cemento Anche se le costruzioni con pareti di tipo portante costituiscono un primo livello di sviluppo della tecnologia nell’edilizia, l’uso dell’acciaio e più tardi del cemento armato eclissarono completamente negli ultimi 75 anni mattoni e blocchi in muratura. Si dovrebbe tuttavia ricordare che uno dei primi grattacieli di Chicago fu il Monadnock Building di sedici piani, tuttora la più alta costruzione del mondo in muratura. Soltanto recentemente sono stati fatti nuovi tentativi, soprattutto in Svizzera, dove sono stati costruiti con successo alti edifici per abitazioni usando tecnologie più recenti con blocchi portanti in cemento. Negli Stati Uniti sono stati recentemente costruiti una quantità di alberghi ed appartamenti fino ad una altezza di 16 piani, con blocchi in muratura armata, usando uno spessore murale molto sottile. Ricordando che l’applicazione e il potenziale delle costruzioni a blocchi portanti sono stati trascurati per lungo tempo.

Ravvicinamento alle alte costruzioni in blocchi di muratura rinforzata, sotto il patrocinio della National Concrete Masonry Association of America. Il lavoro di ricerca fu fatto nel dipartimento architettonico dell’Illinois Insti- tute of Technology, ed i risultati sono stati molto positivi. Il progetto I.I.T. consisteva di tre costruzioni alte circa 700 piedi, fatte di pareti in muratura rinforzata, disposte in modo da soddisfare le necessità di base architettoniche, strutturali e funzionali. Si può supporre che il futuro degli alti edifici a pareti portanti sia nel ripensamento di tipi, proporzioni e forme di costruzioni correntemente accettate. E’ in atto l’evoluzione di un nuovo tipo di vocabolario architettonico.
Proposta di un sistema a cemento preformato
Un gran numero di case per appartamenti, costruite in Europa, Australia e Usa sono state realizzate utilizzando varie forme di costruzioni a pannelli preformati. La limitazione in altezza per tali costruzioni è dovuta alla difficoltà di distribuire il peso su supporti interconnessi tra i pannelli verticali. C’è un ulteriore svantaggio: anche se si possono generalmente soddisfare le necessità della pianta di un appartamento, non è possibile soddisfare le necessità di un moderno edificio per uffici che richiede larghi spazi aperti senza pilastri. Perciò in passato le costruzioni per uffici in cemento sono state risolte soprattutto con cemento gettato in opera. Il sistema tubo nel tubo ed il tubo modificato con pareti a diaframma incrociato descritti precedentemente restano le soluzioni più avanzate. L’autore ha studiato questo particolare problema negli ultimi due anni all’I.I.T. e sta ora sviluppando un sistema adatto al cemento preformato per edifici a molti usi. Dal punto di vista strutturale l’intelaiatura a tubo o il sistema di tubi aggregati sembra essere il più adattabile, ma l’elemento chiave nella soluzione è
lo sviluppo di una tecnica di unione tra componenti prefabbricati trave-pilastro cosi che la capacità di sopportare un peso totale
può essere trasferita da un elemento all’altro.

Concetto di piano ad assorbimento morbido per strutture antisismiche Mark Finter e l’autore, nel 1968, svilupparono insieme un concetto per strutture resistenti ai terremoti basato sul controllo delle forze laterali (accelerazione) che si produrrebbero nella struttura durante un terremoto. La soluzione da loro proposta è quella di un piano a cuscinetto ammortizzatore che assorbe le scosse, con la caratteristica di spostamento di forza bilineare. II piano cuscinetto, che naturalmente dovrebbe essere a livello delle fondamenta dell’edificio, assorbirà la maggior parte della intensità del movimento sismico. Al di sopra del piano cuscinetto la struttura può quindi essere progettata soltanto per i carichi del vento e rimarrà entro il campo di elasticità durante
il terremoto. Il sistema contiene pareti di stabilità entro il piano cuscinetto e un secondo fronte di resistenza contro il movimento laterale eccessivo e la possibile instabilità della parte elastica superiore della costruzione. Considerando che alcune attuali strutture di edifici hanno dimostrato, in recenti terremoti, uno scarico sostanziale di forze dalla parte superiore dell’edificio attraverso la formazione di meccanismi di cerniere in plastica al piano terra, il concetto di piano cuscinetto sembra avere già provato la sua validità come soluzione pratica.