Controventi, come funzionano, a cosa servono e le principali tipologie

In architettura i controventi, o più correttamente chiamati sistemi di controventamento, sono elementi che servono principalmente a contrastare forze "laterali" (come il vento) che agiscono su edifici o altri sistemi. Nella loro classificazione più storica, il controvento rappresenta una parete principalmente formata da aste che si intersecano in diagonale che garantiscono opportuna resistenza e stabilità alla struttura in cui vengono inserite. L'efficienza di un simile sistema è dovuta al fatto che gli elementi diagonali sfruttano al meglio la resistenza del materiale di cui sono composti – solitamente acciaio. Si nascondono tuttavia delle insidie legate a parametri geometrici che li rendono suscettibili ai cosiddetti "fenomeni instabili".

In questo articolo ci concentreremo sui controventi composti da aste diagonali, con particolare focus sul ruolo di queste ultime in termini di concezione strutturale e materiali utilizzati.

Come funzionano i controventi?

Per capire in maniera semplice come funziona un controvento, concentriamoci su un semplice edificio. Per effetto del vento o dei terremoti, lo stesso sarà soggetto ad azioni laterali che devono essere contrastate. La presenza di azioni laterali non opportunamente contrastate infatti può comportare il collasso dell'intera struttura, se questa risultasse priva di un opportuno sistema di contrasto laterale. L'ossatura portante, quindi, ha due modi principali di trasferire le azioni laterali al sistema di fondazione:

• Tramite la flessione dei pilastri e delle travi, mediante quello che viene chiamato schema a telaio. Rappresenta il tipico schema strutturale degli edifici in cemento armato.
• Tramite l'introduzione di pareti di controventamento. Rappresenta uno schema strutturale tipicamente utilizzato per edifici in acciaio. Tuttavia, sistemi di controventamento (sempre in acciaio) possono trovarsi anche su strutture in cemento armato o legno.

Nel primo caso, i pilastri devono deformarsi lateralmente per accomodare ed assorbire le forze orizzontali agenti. Nel secondo caso, le diagonali di controvento tirano i punti che vorrebbero spostarsi, trovandosi conseguentemente ad assorbire le forze laterali agenti. Il vantaggio di utilizzare questa soluzione costruttiva rispetto all'utilizzo di sistemi a telaio risiede nell'efficienza strutturale del sistema che, a parità di dimensioni, risulta avere maggiore resistenza e rigidezza laterale. Tuttavia, le pareti di controventamento introducono problematiche relative ad ingombri delle diagonali che possono inficiare il funzionamento architettonico del sistema.

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L'instabilità in compressione

Il problema principale associato alle diagonali di controvento è relativo alla scarsa capacità in compressione che hanno questi elementi. La compressione delle diagonali è generata dalle forze esterne che, a seconda del verso di spinta, tirano o comprimono queste diagonali. Durante la fase di compressione, quello che si verifica è il cosiddetto sbandamento laterale della diagonale. Tale fenomeno è noto come instabilità dell'equilibrio e si verifica quando elementi compressi sono sollecitati oltre determinati valori di forza, strettamente dipendenti dalle loro caratteristiche geometriche.

Il parametro che delinea la suscettibilità dell'asta diagonale al verificarsi di questi fenomeni è chiamato snellezza: rappresenta un rapporto che mette prevalentemente in relazione la larghezza della diagonale (cioè quanto è grande la sezione) con la lunghezza della stessa. Vista l'alta efficienza dell'elemento in acciaio quando soggetto a trazione, l'elemento diagonale risulta essere sempre sufficientemente esile e dunque prono allo sbandamento, se compresso.

L'analogia con la stecchetta del caffè

Il fenomeno fisico che si verifica a seguito del raggiungimento della massima forza di compressione è lo stesso che succede quando si cerca di comprimere una semplice riga o una stecchetta di plastica utilizzata per girare il caffè dei distributori. Se si prova a punzecchiare questa stecchetta, ad esempio, ci si accorge che ad un certo punto la stessa si piega con ampiezza massima nel punto centrale. Inoltre, ci si può rendere conto che questa si piega sempre formando una pancia nella direzione ortogonale alla parte larga della stecca. Questo si verifica perché è in quella direzione di sbandamento che l'asta ha snellezza massima (se paragonata con l'altra direzione di sbandamento), quindi la minima resistenza in compressione.

Le principali tipologie di controvento

Esistono differenti forme geometriche che assecondano il funzionamento dei sistemi di controventamento:

• Controventi concentrici, dove l'elemento diagonale del campo unisce i nodi esterni della maglia di travi e colonne.  Quando nel campo sono presenti due diagonali, si parla di croce di Sant'Andrea. In questo caso, il sistema è rappresentato geometricamente da una vera e propria X;
• Controventi concentrici a V (dritta o rovescia), dove gli elementi diagonali intersecano la trave della maglia strutturale piuttosto che la zona di nodo laterale. Sono spesso utilizzati per sopperire a problematiche relative alle aperture. Con questa soluzione, infatti. il controvento permette l'alloggiamento di eventuali porte o finestre;
• Controventi eccentrici, nei quali gli elementi diagonali intersecano la trave lasciandone una piccola parte "libera", che viene chiamata link. Anche in questo caso, la soluzione è assai versatile per garantire eventuali esigenze di natura architettonica.

I controventi "speciali"

Per eliminare alcune problematiche legate alla scarsa efficienza degli elementi diagonali nei confronti delle azioni di compressione, negli anni si sono avvicendate diverse soluzioni tecnologiche che prevedono l'utilizzo di particolari accorgimenti atti a garantire una migliore performance del sistema. Ne sono esempio i cosiddetti sistemi BRB (Buckling Restrained braces), realizzati in modo da impedire un possibile sbandamento laterale della diagonale, garantendo dunque un comportamento uguale tra la diagonale che tira e quella che si comprime, per effetto delle azioni applicate. Altri esempi prevedono l'inserimento di particolari dispositivi di dissipazione energetica, spesso utilizzati per realizzare costruzioni antisismiche. In questo caso,  l'elemento diagonale funge da sistema di alloggiamento del dispositivo.

Per approfondire, ecco un video che abbiamo realizzato sul meccanismo del "collasso pancake":