La costruzione delle impalcature è cambiata dal 1700?

Come fa un'impalcatura a stare in piedi senza crollare sotto il proprio peso o a causa dei carichi che le vengono applicati? Se non avete mai provato l'emozionante esperienza di stare su un'impalcatura a diverse centinaia di metri da terra, guardando dall'alto una gamba di un'impalcatura di meno di cinque centimetri di diametro, aggiungetela alla vostra lista dei desideri.

I carichi sospesi delle impalcature non applicano un carico di compressione assiale, ma un carico di flessione all'estremità esterna della trave a sbalzo. (Foto: David Glabe)

È magico che possa sostenere qualsiasi carico. Perché un'impalcatura sospesa rimane lì appesa senza cadere? Qual è il segreto della capacità di queste strutture temporanee di sostenere carichi sostanziali su gambe così sottili e fili sottili? Sebbene sia un mistero per alcuni, e forse un miracolo per altri, esiste una spiegazione.

L'idea che la resistenza dei materiali potesse essere calcolata è rimasta sconosciuta per millenni. L'edilizia era più un'arte che una scienza. Abili artigiani esercitavano il loro mestiere utilizzando l'esperienza come guida per il lavoro futuro. Le grandi cattedrali d'Europa sono esempi di questa metodologia, in cui gli operai continuavano a spingere i confini della conoscenza costruendo opere sempre più grandi, fermandosi solo quando era evidente che la struttura che stavano costruendo non poteva più sostenere i carichi applicati.

Carichi di supporto

Fu solo nel XVIII secolo che la scienza e la matematica si svilupparono a tal punto da poter essere utilizzate per analizzare accuratamente e successivamente determinare la capacità di materiali specifici di resistere alle forze e supportare i carichi. In questo periodo si scoprì che era possibile creare formule che un progettista poteva utilizzare non solo per determinare la resistenza di un determinato materiale, come il ferro, ma anche per determinare le dimensioni necessarie di un componente strutturale per supportare un carico. Questa conoscenza diede vita a quella che è nota come ingegneria e gli ingegneri utilizzano questa conoscenza creata per la progettazione e l'analisi. Infatti, questa conoscenza ingegneristica viene utilizzata per dimostrare come e perché un'impalcatura può fare ciò che fa.

Una colonna, come la gamba di un'impalcatura, può supportare un carico di compressione in base a tre fattori: il tipo di materiale, la forma del materiale e la lunghezza della colonna non controventata. Per le impalcature a telaio e a sistema, la forma preferita è un tubo tondo. Un tubo tondo viene utilizzato perché è ugualmente resistente in tutte le direzioni, a differenza, ad esempio, di un rettangolo, che è più resistente in due direzioni e più debole nelle altre due. I tubi quadrati, che minimizzano la differenza, sono la seconda scelta ed è per questo che si possono trovare impalcature con tubi quadrati. Perché si usa un tubo invece di un'asta piena? Dopotutto, un albero è solido.

Attraverso la ricerca, si è scoperto che per ottenere la resistenza del tubo era necessario molto più materiale attorno al perimetro esterno del tubo rispetto al centro. Poiché il materiale al centro del tubo non era necessario, è stato rimosso. Ed è per questo che vengono utilizzati tubi al posto di barre piene. Certo, una barra piena sopporterà un carico maggiore, ma l'aspetto economico vince, poiché i tubi producono risultati soddisfacenti. Inoltre, potete immaginare il peso di un telaio di un'impalcatura con barre piene al posto delle gambe?

Qualcuno potrebbe dire che le origini della costruzione, in particolare per quanto riguarda le strutture e i principi di portanza, erano più arte che scienza. (Foto: David Glabe)

Forme mutevoli

L'acciaio è il materiale d'elezione per la maggior parte delle impalcature. Agli albori dell'ingegneria, si è scoperto che la resistenza di un materiale variava notevolmente in base alla composizione, come il rapporto tra carbonio e minerale di ferro. Si è anche stabilito che le impurità rappresentavano un fattore negativo. Per garantire la costanza, la produzione odierna di acciaio è attentamente controllata, in modo che la resistenza del materiale sia altamente prevedibile e il produttore di impalcature possa quindi realizzare un prodotto prevedibile. Naturalmente, d'altro canto, un produttore senza scrupoli può utilizzare un acciaio di qualità inferiore, ma questo è un argomento che approfondiremo in un'altra occasione.

Il terzo fattore che determina la resistenza a compressione di una colonna è la lunghezza non controventata. Un tubo non controventato di 5 cm di diametro è molto resistente alla compressione, ma quando è alto 6 metri, non ha alcuna capacità. Leonhard Euler, matematico e fisico svizzero vissuto nel XVIII secolo, fu il primo a determinare, oltre al tipo di materiale e alla forma della colonna, che la lunghezza non controventata della colonna era un fattore significativo per la resistenza di una colonna. Successivamente sviluppò una formula che include tutti e tre i fattori. In altre parole, la sua formula per la colonna, e altre successive, incorporano la relazione tra forma, resistenza del materiale e lunghezza non controventata. Per le impalcature, la lunghezza non controventata è la distanza verticale tra gli elementi orizzontali e la distanza verticale tra i collegamenti dei controventi diagonali.

I montatori di ponteggi non possono modificare il materiale utilizzato né la forma della gamba del ponteggio, a meno che, ovviamente, non utilizzino un tubo piegato o piegato. L'utilizzo di un tubo piegato o piegato compromette la resistenza della colonna e spiega perché non si dovrebbero mai utilizzare componenti del ponteggio danneggiati. Ciò che i montatori di ponteggi possono fare, e lo fanno spesso, è modificare la lunghezza non controventata della gamba del ponteggio. L'esempio più comune riguarda i ponteggi a telaio in cui le traverse anteriori non vengono mai installate. Questa pratica modifica la lunghezza non controventata da 1,2 metri, la distanza tra i montanti delle traverse, a 1,9 metri, l'altezza nominale di un telaio passante. In questo modo, la portata della gamba del ponteggio si riduce fino al 50%. Al contrario, aumentando il numero di elementi orizzontali e dei relativi controventi diagonali verticali su un ponteggio a sistema, in modo da ridurre la lunghezza non controventata, si aumenta significativamente la portata della gamba del ponteggio. Sfortunatamente, sono pochi gli installatori che comprendono l'impatto che i rinforzi hanno sulla capacità.

Nel mondo odierno, nessuna struttura significativa viene progettata o costruita senza avvalersi della scienza. (Foto: David Glabe)

Anche i ponteggi sospesi sono influenzati dalla ricerca del signor Eulero, ma forse non nel modo che ci si aspetterebbe. Le colonne in tensione non sono influenzate dalla lunghezza non controventata e quindi i cavi metallici possono supportare carichi enormi in rapporto al loro diametro. Dove i tre fattori di Eulero brillano è nella trave a sbalzo orizzontale a cui è fissata la fune di sospensione. Sebbene il carico del ponteggio sospeso non applichi un carico assiale di compressione, applica un carico di flessione all'estremità esterna della trave a sbalzo. Se la forma della trave non è corretta, la resistenza del materiale è inadeguata o il controventamento della trave è insufficiente, la trave rotolerà, si torcerà, si piegherà e, in definitiva, non sarà in grado di supportare il carico del ponteggio, con conseguenti conseguenze sfavorevoli per gli occupanti del ponteggio.

Il mondo di oggi

La progettazione e l'analisi dei ponteggi derivano da ricerche avviate dai fisici trecento anni fa. Hanno introdotto certezza nella progettazione di strutture e ponteggi, economizzando i costi di costruzione. Col tempo, hanno posto fine alla pratica di costruire strutture basate sull'esperienza e sulle prestazioni passate di un costruttore.

Nel mondo odierno, nessuna struttura significativa viene progettata o costruita senza avvalersi della scienza che oggi conosciamo come ingegneria. Tranne le impalcature.

Incredibilmente, l'industria dei ponteggi li costruisce ancora come si faceva nel 1700, affidandosi a montatori che, privi della conoscenza del concetto di lunghezza non controventata, sperano di riuscirci basandosi esclusivamente sull'esperienza passata. Ancora più sorprendente, è considerata una pratica accettabile.