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Molti sistemi strutturali sono stati adottati nella progettazione di edifici alti, e uno dei più efficienti è il sistema strutturale tubolare. Il progresso della tecnologia e lo sviluppo dell'economia, in tutto il mondo, hanno portato alla costruzione di edifici sempre più alti.
Il “padre” di questo sistema è l'architetto e ingegnere strutturista Fazlur Rahman Khan. Negli anni 1960-1970, è diventato famoso per i suoi progetti a Chicago: il John Hancock Center (un edificio di 100 piani) e la Willis Tower (Sears), l'edificio più alto del mondo, all'epoca.
Fazlur Khan si rese conto che la struttura a telaio in acciaio, dominante nella progettazione e costruzione di edifici alti fino ad allora, non era l'unico sistema adatto alla realizzazione di grattacieli. „La sua capacità unica di ridurre il divario tra il design architettonico e l'ingegneria strutturale è ciò che ha distinto Khan dagli altri ingegneri strutturisti” – John Zil. I suoi progetti hanno trasformato lo skyline delle città; la maggior parte degli edifici di oltre 40 piani negli Stati Uniti, costruiti dopo gli anni '60, hanno utilizzato un design a tubo derivato dai suoi principi di ingegneria.
I tre tipi di tubi nel sistema strutturale tubolare
1. Il tubo a telaio (framed tube)
Khan ha sviluppato tre varianti principali di progettazione a tubo. Queste sono state utilizzate per soddisfare requisiti strutturali diversi:
Il telaio è costituito da colonne poste a piccole distanze, 2-4 m tra i centri, unite da travi di fondazione. Possiamo immaginare questo sistema come un'immensa colonna vertebrale flessibile, formata da telai collegati tra loro.
Il primo edificio che ha utilizzato questo sistema è stato il condominio DeWitt-Chestnut, progettato da Khan e completato nel 1963. Questo ha posto le basi della struttura a tubo a telaio (framed tube) utilizzata nella costruzione del World Trade Center.
Il „framed tube” è il sistema più semplice e può essere adattato a forme quadrate, circolari e irregolari.
2. Il tubo controventato (braced tube, trussed tube)
Lo scopo di questo concetto è ridurre il carico laterale applicato all'edificio trasferendolo sulle colonne esterne. Questo porta alla realizzazione di uno spazio ampio grazie alla ridotta necessità di colonne interne.
Il John Hancock Center è la prima costruzione che ha utilizzato questo sistema. A differenza delle strutture metalliche utilizzate in precedenza, come quella dell'Empire State Building, il John Hancock Center è stato molto più efficiente, poiché ha richiesto solo 145 chilogrammi di acciaio per metro quadrato, rispetto ai 206 chilogrammi utilizzati nell'edificio di New York.
3. Il tubo modulare (bundled tube)
Il sistema „bundled tube” può essere visualizzato come un insieme di tubi singoli che formano un tubo composto da più celle. Il sistema consente la massima altezza e la massima superficie. Il tubo modulare è stato molto efficiente dal punto di vista economico, oltre che innovativo, poiché gli edifici non dovevano più avere un aspetto scatolare. I tubi possono assumere varie forme ed essere raggruppati in modi diversi, realizzando edifici dagli aspetti strutturali distintivi.
Un edificio emblematico realizzato con il „bundled tube” è la Willis Tower, composta da nove tubi di altezze diverse per ottenere un aspetto distintivo.
Per lo spettacolare edificio Burj Khalifa è stato utilizzato il sistema „bundled tube” e un composito di cemento e acciaio per raggiungere l'altezza di 828 m.
I vantaggi del sistema strutturale tubolare:
Un vantaggio chiaro riguarda il materiale. Se ben progettate, le forme tubolari utilizzano circa la metà della quantità di materiale che sarebbe stata utilizzata per una struttura realizzata in modo convenzionale.
Consente una maggiore flessibilità nella pianificazione dello spazio interno, poiché tutte le colonne sono concentrate sul perimetro della struttura. Il sistema permette di realizzare uno spazio libero, senza colonne interne.
Basandosi sul concetto che l'involucro esterno dell'edificio può funzionare come una struttura a sé stante, Fazlur Rahman Khan ha progettato un sistema strutturale che può essere utilizzato sia per gli edifici in acciaio che per quelli in cemento.
