Expo 2015, il Padiglione Giappone e la facciata in legno 'ad incastro' | Ingegneri.info

Expo 2015, il Padiglione Giappone e la facciata in legno ‘ad incastro’

Galloppini Legnami srl, azienda della Valsesia, ha realizzato le facciate del Padiglione nipponico all'Expo Milano 2015. Il nostro focus tecnico su questa ingegnosa soluzione costruttiva

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L’intervento del Giappone ad Expo 2015 è rappresentato da un graticcio tridimensionale di legno, la cui soluzione costruttiva per la creazione di volumi architettonici è data da prefabbricazione, eco-sostenibilità, facilità di trasporto, montaggio a secco, rapidità di posa e autoportanza. Concepito dal prof. arch. Atsushi Kitagawara ed elaborato dalla società Ishimoto Architectural & Engineering Firm Inc., entrambe di Tokyo, la commessa è stata affidata al general contractor Takenaka Europe GbmH. Quest’ultimo ha assegnato l’ingegnerizzazione delle pareti tridimensionali alla ditta Galloppini Legnami srl di Borgosesia (Vercelli, Piemonte).

 

Esterno del Padiglione giapponese a Expo 2015 (foto: Harald Quercia)

Per tale commessa sono state impiegate quasi 20.000 travi, lunghe 2,38 m cadauna, in legno lamellare di larice proveniente dal Giappone, dalla sezione quadrata di 120 mm di lato. La superficie finale è di circa 1.200 m2. I 680 m3 di materiale ligneo approdarono allo scalo portuale di Genova stipato in containers, successivamente stoccato nei dintorni di Milano e fatto pervenire all’azienda vercellese nei mesi di giugno-luglio 2014. Il legname, durante le fasi di trasporto, è stato sigillato con guaine riflettenti e posto all’interno di sacchetti deumidificanti, attenzioni che hanno permesso di conservare l’umidità relativa a circa il 10-12%.

Dettaglio della facciata lignea del Padiglione Giapponese a Expo 2015 (foto: Harald Quercia)

La facciata lignea è realizzata rielaborando la tradizionale tecnica nipponica d’intaglio della carpenteria, grazie all’impiego di moderni impianti a controllo numerico. Ultimate le fasi di stoccaggio, il materiale è stato messo in produzione ad inizio luglio 2014, dopo avere determinato ogni parametro delle lavorazioni. La filiera produttiva ha contemplato la piallatura dei semilavorati all’esatta misura di 115 x 115 mm attraverso i centri di lavorazione CNC, in grado di garantire fino a 14 lavorazioni a pezzo.

Dettaglio della facciata lignea del Padiglione Giapponese a Expo 2015 (foto: Harald Quercia)
Per ottemperare a tale commessa è stato acquisito anche un nuovo centro di lavoro TechnoFast della Essetre, utile alla sagomatura delle componenti, in supporto alle 2 linee di taglio Hundegger tipo K2 già in funzione nell’impianto, le quali hanno lavorato circa il 50% dei pezzi. Inoltre, sono stati adottati nuovi software CAD-CAM specifici, in grado di ottimizzare le traiettorie delle frese e di ridurre così le tempistiche delle lavorazioni, scendendo dal valore massimo di 3’30” a 2’30” a pezzo. Essi hanno quindi consentito un significativo guadagno di tempo per l’esperimento della commessa, valutabile in oltre 333 ore di lavoro (pari a 14 giorni complessivi). Le 2 macchine K2 sono state equipaggiate con frese dedicate, aventi larghezza uguale all’intaglio, mentre la Tecnofast è stata invece programmata e attrezzata esplicitamente per questo lavoro dalla ditta produttrice. Quest’ultima ha lavorato ininterrottamente per circa 4 mesi, anche nel mese di agosto 2014.

Lavorazione dei componenti lignei (courtesy Galloppini Legnami)
 
La difficoltà maggiore è stata quella di determinare una giusta tolleranza d’incastro a secco tra i vari pezzi. La tolleranza progettuale, di 1 mm, avrebbe potuto creare problematiche di montaggio in cantiere per via del possibile mutamento delle condizioni climatiche, in grado d’influire sull’umidità relativa del legno al momento della posa. Sulla base delle conoscenze e dell’esperienza della Galloppini Legnami, e di concerto con il team progettuale Giapponese, si è preferito incrementare tale tolleranza a 1,5 mm.
Al fine di facilitare il soddisfacimento di tali dettami, si è optato progettualmente per l’impiego di un legno lamellare, le cui proprietà sono in grado di assicurare una stabilità maggiore rispetto al massiccio. Circa l’impregnatura, è stata applicata una sola mano di protettivo ecologico a base d’acqua studiato dalla ditta Arreghini, in modo tale da lasciare inalterato il colore naturale del legno. Al contempo, ne è stato così ritardato il naturale fenomeno d’ingrigimento dovuto all’ossidazione, grazie all’aggiunta di pigmenti anti-U.V.

Stoccaggio dei componenti lignei (courtesy Galloppini Legnami)

I collegamenti con le fondazioni e le deformazioni delle strutture sono stati analizzati in modo particolare, sia attraverso un’analisi di simulazione a computer con la discretizzazione ad elementi finiti, sia con la realizzazione di un mock-up alto 6 m e largo 4 m. Ciò ha consentito l’esamina delle problematiche costruttive, ma soprattutto la verifica dei dati previsionali ottenuti tramite calcoli e modelli digitali.
Questa fase di simulazione al vero ha confermato la stabilità del sistema costruttivo: una struttura robusta e leggera, il cui peso proprio non ingenerava deformazioni anelastiche ai livelli più bassi. Composta da quasi 20.000 elementi lignei tridimensionali, esili e leggeri, il cedimento di un incastro non innesca l’effetto domino e non porta al collasso. Nella ridondanza dei vincoli, infatti, l’eventuale fuori servizio di un singolo elemento resta localizzato. Lo stesso principio di gerarchia delle resistenze sembra essere rispettato, privilegiando, appunto, la resistenza dei nodi e dei pilastri a quella delle travi.
Il montaggio in situ è stato condotto dalla manodopera dell’azienda vercellese, per un totale di 20 operai contemporaneamente, i quali vi hanno lavorato a partire da metà dicembre 2014 a causa dell’accumulo di alcuni ritardi. I singoli pezzi, di facile movimentazione grazie al ridotto peso (10/12 kg cadauno), hanno richiesto il solo impiego delle ceste di sollevamento da cui operava il personale per la posa in quota dei singoli elementi. Il montaggio del graticcio tridimensionale è autoportante, e quindi non ha necessitato dell’ausilio di sostegni provvisionali durante la realizzazione. Esso è vincolato ad una base in C.A. tramite tirafondi, volti a solidarizzare il primo livello di legni incrociati. Le fasi di montaggio successive sono risultate rapide, per via della sequenza di collegamenti a “mezzo legno” di sola carpenteria lignea. Si alternano, quindi, griglie orizzontali ad inserimenti di elementi verticali che vincolano e legano i vari livelli, creando il già citato stato di “tensione compressiva”.
Montaggio dei componenti lignei (courtesy Galloppini Legnami)
Ogni elemento risulta, così, vincolato ad altri 8 perpendicolarmente alla propria linea d’asse: 4 secondo un retta locale principale e 4 lungo Z, che completa la terna. L’ultima fase prevede l’inserimento dall’alto delle porzioni verticali, le quali s’incastrano contemporaneamente ai livelli sottostanti mediante la rotazione del pezzo stesso. Quest’ultimo passaggio solidarizza tutte le componenti, creando uno stato di coazione. Dallo studio del mock-up in scala 1:1 realizzato in fase di produzione dall’azienda piemontese, si è notato un possibile disallineamento verticale dei nodi pari a circa 3 mm ogni metro di altezza. Tale questione è stata risolta grazie all’ausilio di viti, collocate in nodi localizzati principalmente nei pressi della fondazione e nella parte alta delle singole travi, punti di vincolo locale delle pareti alle strutture in acciaio del padiglione.
Come già citato, gli stati di coazione hanno previsto incastri “mezzo legno” utilizzando la tensione compressiva, tradizionale tecnica costruttiva nipponica già adottata nell’edificazione del tempio buddista di Horyuji a partire dal 711 d.C. Tale metodo sfrutta favorevolmente le tensioni perpendicolari alla fibratura (limitanti in un materiale anisotropo qual è il legno) e trova spiegazione negli stati di coazione che nascono nel materiale stesso. Con questa tecnica ogni nodo, infatti, è in tensione grazie anche all’eventuale impiego di cunei. Le sollecitazioni orizzontali, quali vento e sisma, sono così assorbite anche dall’attrito fra gli elementi dei nodi, interconnessi in modo tale da conferire grande duttilità alla struttura. Al tempo stesso, la configurazione a nido d’ape comporta l’assenza di superfici continue e dell’“effetto vela”, offrendo così un’alta permeabilità al carico accidentale del vento, anche al raggiungimento della quota finale di +12 m d’altezza. Il risultato è, quindi, una struttura resistente ai terremoti, dotata di pareti di 133 cm di spessore.
Ad oggi, un team del Politecnico di Milano (guidato dal prof. Ing. Marco Imperadori) sta studiando la possibilità di smontaggio e di riuso della struttura, adottandone la tecnica realizzativa per la messa a dimora di costruzioni leggere in luoghi poco accessibili a travi di grande dimensione.
Il video della produzione dei componenti lignei del padiglione 

 

Esterno del Padiglione giapponese a Expo 2015 (foto: Harald Quercia)

 

 

 

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