Come funzionano i balconi e come fanno a reggere i carichi applicati senza crollare?

Un balcone è un elemento architettonico del sistema edilizio, delimitato da un parapetto o una ringhiera, che garantisce fruibilità di spazi esterni anche ai piani elevati di un edificio. La sua particolarità risiede nel fatto che è una struttura priva di una base di appoggio a un estremo, risultando quindi in una parte che sostanzialmente si sviluppa nel vuoto. Si annovera nella più generale famiglia delle strutture a sbalzo, o semplicemente "sbalzi". Di questi ne esistono svariate tipologie nel mondo, tutti diversi tra loro ma uniti da un concetto chiave che rappresenta l'effettivo "segreto" che ne delinea il  funzionamento statico.

Come funziona un balcone

Cerchiamo di raggruppare i concetti fisici che contraddistinguono il funzionamento statico di un balcone (o di uno sbalzo in generale). Nella pratica, infatti, nonostante ogni balcone possa avere una soluzione progettuale diversa dalle altre, quindi materiali e forme diverse degli elementi strutturali, lo stesso conserva un meccanismo di funzionamento che rimane sostanzialmente invariato. Cerchiamo di farlo semplice:

• Per garantire che ci sia equilibrio nei confronti delle azioni verticali, come per esempio la forza peso, un sistema strutturale dotato di più punti di appoggio conta sul fatto che ognuno di questi sviluppi una reazione di vincolo che bilanci parte del carico applicato. Visto che ci sono tanti punti di appoggio, queste azioni di vincolo possono – in linea generale – essere solo forze verticali, proprio come i carichi applicati;
• Nel caso di strutture a sbalzo, come un balcone, quanto detto sopra non può avvenire. Per garantire equilibrio, l'unico vincolo presente deve essere in grado di sviluppare non solo forze verticali reattive, ma anche dei cosiddetti momenti di incastro, cioè delle entità tipo forze che dovranno opporsi alle rotazioni che il sistema vorrebbe compiere in loro assenza.

Questa differenza reattiva è alla base del meccanismo di funzionamento di un balcone: dal punto di vista statico, nel primo caso si può parlare generalmente di travi, mentre nel secondo caso si parla più propriamente di mensole.

Come si realizza un balcone

Anche qui proviamo a fare un esempio rifacendoci a una pratica applicazione tecnologica, come quella dei balconi realizzati con strutture in calcestruzzo armato e laterizi. Come è fatta questa struttura? C'è una parte superiore detta soletta, che è un enorme lastrone in cemento armato che ricopre il piano. Inferiormente, da questa soletta spuntano, a intervalli regolari, delle nervature. Tra le varie nervature, il vuoto è colmato con un materiale leggero, che potrebbe essere un classico mattone forato. Questo stesso sistema così descritto, riportato schematicamente nella figura seguente, è riproposto anche nei solai delle nostre abitazioni nella parte interna, quindi lontano dai balconi.

Ma allora cosa cambia tra i due sistemi? Semplicemente, la posizione dei ferri di armatura presenti all'interno del calcestruzzo:

• Nel caso del solaio su appoggi a entrambe le estremità, i ferri si trovano principalmente nella parte inferiore delle nervature;
• Nel caso dei balconi, questi stessi ferri si trovano nella parte superiore delle nervature, dentro la cosiddetta soletta.

Come mai? Semplificando, il flusso di forze che si deve trasferire dal balcone all' incastro deve passare dentro questo elemento resistente. Visto che l'incastro deve sviluppare, per equilibrio, un'azione che si opponga alle rotazioni del balcone sotto l'effetto del proprio peso, possiamo immaginare che questa azione resistente sia formata da una coppia di forze disposte a una distanza grossomodo pari all'altezza della sezione strutturale del balcone stesso. Ebbene, tra queste due forze, quella che vorrebbe tirare il balcone per mantenerlo su è sempre quella che sta nella zona alta. Per tale ragione, in questa zona deve trovarsi necessariamente un materiale che sia in grado di assorbirla, come fanno appunto le armature di acciaio dentro il getto di calcestruzzo.

Gli sbalzi nel mondo

Quanto descritto fino a ora accade sui balconi, ma anche su molte coperture che si sviluppano con uno schema a sbalzo (come a esempio accade per la copertura dello Stadio Maradona). Le strutture a sbalzo, inoltre, sono utilizzate su molte pensiline di attesa dei bus o nella realizzazione dei gradini di alcune particolari tipologie di scale.

Più ci si allontana dal punto di incastro, più gli spostamenti verticali del sistema crescono, fino a raggiungere il massimo in corrispondenza del punto più distante. Ne consegue che più è grande la lunghezza dello sbalzo, più il sistema è complicato e più cresce quella che prima abbiamo identificato come forza di trazione al lembo superiore dell'elemento strutturale. Per queste ragioni, possiamo avere a che fare con sbalzi realizzati con:

• elementi in cemento armato nervati e alleggeriti, ovvero pieni;
• Strutture più complesse formate da diversi sistemi di travi e mensole ortogonali a cui le travi si collegano.
• Sistemi tralicciati, eventualmente con sezione variabile lungo lo sbalzo. Questo sistema ottimizza la conformazione geometrica strutturale per fornire la massima resa minimizzando il peso dei materiali impiegati.

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