Catalan Vaulting - una tecnica di costruzione in muratura

"Catalan Vaulting" noto anche come "Tile Vaulting" è una tecnica di costruzione di 600 anni per costruire volte in muratura con notevole sottigliezza e senza l'uso di casseforme o casseforme minime. Questa tecnica è nata nella regione della Catalogna, in Spagna; fino alla metà dell'Ottocento fu praticata nella costruzione di navate di chiese, tetti di fabbriche industriali, scale, sistemi di pavimentazione ecc. Successivamente, maestri costruttori come Antoni Gaudi, Rafael Guastavino, Eladio Dieste ne hanno preso spunto e hanno costruito strutture di notevole impatto architettonico. Recenti innovazioni nei metodi di individuazione delle forme, materiali e falsi casseri convertono questa tecnica per costruire forme molto espressive.
 

Origine

La tecnica delle volte catalane era un tipo di costruzione generalmente utilizzato nell'architettura post-medievale spagnola e in alcuni dei territori coloniali del Sud America. Dalla metà del XVI secolo, la maggior parte delle volte spagnole sono state costruite utilizzando questa tecnica (volte a crociera, volte a botte, volte a forma di piattino e cupole) o collegate a nervature di pietra [Gómez-Ferrer, 2009]. L'origine della tecnica e anche il nome è stata molto discussa da rinomati storici e ricercatori.
Joan Bergós, un architetto spagnolo di Lleida, sosteneva che i romani originariamente inventarono il Tile Vaulting [Bergós, 1965] e sostenne la sua tesi dai disegni di Choisy della costruzione romana [Choisy, 1966]. Tuttavia, l'argomento ha perso il suo impatto quando non è stato possibile dimostrare la continuità della tecnica fino alle prime strutture costruite e conosciute. Bergós ha anche presentato alcuni esempi di strutture che hanno elementi di volte in pianelle. Il primo esempio noto dai suoi testi è un edificio ospedaliero gotico costruito a metà del XIV secolo.
Anche George R. Collins, un rinomato storico, ha espresso la sua opinione sull'origine della volta in pianelle.
Gli esempi che lui ha presentato mostrano elementi di volte in pianelle tra le costolature all'inizio del XV secolo. Nella costruzione della Cappella Reale della Cattedrale di Barcellona all'inizio del XV secolo è stata utilizzata la volta catalana e in quei tempi tali volte a conchiglia molto sottili sono abbastanza comuni nella regione della Catalogna [Collins, 1968]

Infine, Philippe Araguas è chiaro nella sua dichiarazione che "è stato in grado di fissare la data dell'invenzione [della volta di pianelle] nel 1382, nel senso archeologico del termine" [Araguas, 1999].
Qui è importante che sia Bergós che Araguas abbiano usato la parola "Invenzione" nelle loro dichiarazioni, il che è contro ciò che ha spiegato Manuel Fortea sull'origine della volta in pianelle, non sono apparse in un giorno ma sono il risultato di un processo di evoluzione [Fortea, 2009]. Le sue argomentazioni sono alla base di fatti molto semplici, per le volte in pianelle è necessaria una tecnica di costruzione in gesso, mattoni e volte senza cassaforma. Quindi, trovare un posto in base a questi parametri può portare all'origine della volta con pianelle. Le sue argomentazioni ci portano in un viaggio molto emozionante dalla Mesopotamia alle regioni spagnole di Valencia e dell'Andalusia, dove sono state costruite le volte catalane prima del XIV secolo. Infine, nell'XI secolo, pone i suoi primi riferimenti di volte in pianelle conosciuti in Andalusia, in Spagna.
 

Definizione

Catalan Vaulting è una tecnica in muratura per costruire volte con mattoni sottili e malta. Di solito, i mattoni di circa mezzo pollice di spessore vengono utilizzati con malta di gesso a presa rapida nel modo tradizionale di costruzione [Huerta, 2003].
Le pianelle in laterizio vengono posate in piano, strato per strato senza alcun tipo di centraggio o cassero; inoltre, la forma conferisce la resistenza strutturale richiesta che attibuisce a questa tecnica di costruzione un supporto unico.
 
Figura 1: (a sinistra) Costruzione di una volta catalana. Confronto tra una volta catalana e una volta in pietra; ( a destra) Costruzione senza centratura di una cupola catalana. La geometria è controllata da un'asta fissata a un punto fisso.
Fonte: pubblicato dall'architetto Luis Moya [1957]

Le pianelle in cotto vengono poste a formare archi o anelli successivi per completare la volta. Durante la costruzione, gli strati di pianelle sono supportati dagli strati completati in precedenza o dalle pareti del bordo. Non c'è bisogno di alcun tipo di cassaforma ma guide visive per controllare la geometria della volta (Vedi Fig. 1).

Il metodo della volta catalana è simile alla costruzione delle volte in mattoni senza cassaforma nell'era bizantina. Le differenze sono: quelle volte sono realizzate con malta di calce che indurisce molto lentamente e la formazione delle murature è realizzata inclinando i corsi di mattoni. Tuttavia, il metodo di costruzione è quasi simile formando archi o anelli per finire la volta. [Huerta, 2003].

In generale, le volte catalane sono notevolmente sottili con circa due o tre strati di pianelle utilizzate nella costruzione. Tuttavia, ci sono esempi come il Mapungubwe Interpretive Center dove ci sono circa 5 strati di pianelle e lo spessore arriva fino a 30 cm. Il rapporto di snellezza (raggio di curvatura rispetto alla campata) per le strutture a volta catalana è tipicamente di circa 100, sebbene ci siano volte ancora più sottili. A causa del comportamento "leggero" della tecnica di costruzione, può essere utilizzato per coprire luci maggiori. Una delle più grandi cupole catalane è St. John the Divine (New York) che si estende per circa 33 metri [Ramazotti, 2001].
  
Le volte catalane sono note per il loro comportamento in fase di compressione, quindi non c'è bisogno di rinforzo, tuttavia, a causa delle condizioni contemporanee in cui le normative di costruzione sono anche parte integrante della messa in servizio di una struttura, molte recenti strutture di volte catalane hanno un rinforzo minimo tra gli strati di piastrelle in base alla luce, forma, protezione dalle attività sismiche - carichi laterali, queste soluzioni tecniche innovative vengono integrate per evitare problematiche strutturali impreviste.

Le volte catalane possono essere definite come segue:
  
  • Volte in muratura - Costruzione coesiva
  • Piastrelle in mattoni sottili
  • Due-tre o più strati (ogni strato ~ 25 mm)
  • Gesso / Malta a presa rapida
  • Rapporto di snellezza: 100
  • Costruzione senza o con minima cassaforma (guide visive per lo più)
  • Nessun rinforzo o con minimo rinforzo
  

Figura 2: tipo di caveau
Fonte: forma e forze. (2009). Chichester: John Wiley and Sons.

Confronto tra le tecniche di volteggio più utilizzate (vedi figura 2)

a) Romana (sezione semicircolare realizzata con cassero)
b) Nubian (catenaria, no cassero)
c) Volte catalane (sezione catenaria, può anche essere poco profonda, senza cassaforma)

Confronto dello spessore di quattro cupole, le due cupole inferiori sono state costruite senza cassaforma. L'ultimo terzo della cupola di St. John the Divine a New York è spesso solo due strati di pianelle. (Vedi figura 3)


Figura 3: Confronto dello spessore di volte e cupole
Fonte: Ochsendorf, J. A., & Freeman, M. (2013). Volte Guastavino: L'arte della pianella strutturale. New York: Princeton Architectural Press.

Storia

Fino alla metà del XIX secolo il sistema di costruzione a volta catalana era utilizzato solo come segue:

a) Coprire navate laterali e navate delle chiese. Le volte costruite hanno una capacità limitata di sopportare autocaricamento + carichi occasionali a causa di lavori di manutenzione. C'era un altro strato di copertura come "Tetto in legno".
b) Per costruire solai per abitazioni familiari.
c) Costruire scale

La metà del XIX secolo ha portato molte innovazioni nella tecnica di costruzione della volta catalana, per esempio, il cambiamento nella tipologia dell'architettura. La tecnica tradizionale ha iniziato ad essere utilizzata nella costruzione di edifici industriali, principalmente fabbriche tessili. La tradizionale malta di calce sostituita con il cemento Portland ha consentito una rapida costruzione e impermeabilizzazione del tetto senza ulteriori misure. In Spagna; dalla fine del XIX secolo all'inizio del XX secolo, la tecnica di costruzione della volta catalana divenne un simbolo nazionale. La Catalogna e la sua capitale, Barcellona, ​​divennero un centro di architettura in muratura, grazie al genio di Antoni Gaudí e al lavoro di altri costruttori e architetti; Josep Puig I Cadafalch, César Martinell, Lluís Muncunill, Lluís Domenech I Montaner e i muratori della tradizione catalana.
Questi uomini hanno applicato le loro conoscenze strutturali ai mattoni in terracotta e alla malta per intonaco a rapida sedimentazione per arrivare a forme inimmaginabili.

L'architetto più famoso per usare le volte con mattoni è probabilmente Gaudí. La libertà di forma con l'uso delle volte in pianelle lo ha aiutato a realizzare molti dei suoi caratteristici edifici come ad esempio "Casa Míla" e "La Pedrera".
Tuttavia, ci sono esempi in cui i modernisti come Mies van der Rohe hanno utilizzato le volte in pianelle nelle loro opere. Il Padiglione di Barcellona per l'Esposizione Internazionale del 1929 aveva le fondamenta realizzate con volte in pianelle [Musté et al., 1997].

Grazie alle sue proprietà costruttive, economicità, leggerezza e rapidità di costruzione, le volte in pianelle possono anche essere utilizzate come cassaforma per il getto di gusci o strutture in calcestruzzo.
Le Corbusier ha anche inserito la volta in pianelle nella Maisons Jaoul e nella Villa Sarabhai, tuttavia in quest'ultima una recente ricerca ha affermato che si tratta solo di una volta in mattoni e non costruita utilizzando il metodo di costruzione catalano [Jalia, 2017]

Il metodo costruttivo diventa noto in tutto il mondo alla fine del XIX secolo quando fu largamente utilizzato negli Stati Uniti negli edifici dell'architetto valenciano Rafael Guastavino Moreno (1842-1908).
La collaborazione padre-figlio, Guastavino Inc., ha prodotto oltre un migliaio di edifici solo negli Stati Uniti.
Lo stesso Guastavino ha approfittato dell'opportunità di lavoro che gli è stata data dalla Society of the Arts per pubblicare un saggio sul suo sistema brevettato di volte in pianelle, tecnica di costruzione tradizionale spagnola.
  

Figura 4: pubblicazioni sulla costruzione di volte in catalano in inglese
Fonte: autore

Quello che sappiamo oggi sulle volte con pianelle è dovuto alla vasta documentazione raccolta da George R. Collins.
Tuttavia, il lavoro di ricerca su questa tecnica di costruzione è stato ulteriormente esteso con i risultati pubblicati da Michael Ramage nel 2007, 2009 e 2012, nonché con DeJong nel 2011 presso l'Università di Cambridge. Nello stesso periodo, Block Research Group (ETH, Zurigo) guidato da Phillipe Block ha esplorato nuovi modi di individuazione di forme e metodi di costruzione basati sui tradizionali principi della tecnica di costruzione delle volte catalane.
  

Analogia di costruzione - Tipo di geometrie

La tecnica di costruzione delle volte catalane consente a muratori esperti di costruire geometrie complesse come superfici doppiamente curve o deformate utilizzando serie di linee rette, cioè, superfici rigate quadriche come superfici curve e deformate
    


Figura 5: Possibili geometrie con costruzione a volta catalana
Fonte: autore

Tutte queste superfici doppiamente curve dove in un dato punto se si taglia con una sezione orizzontale-verticale la volta si ottiene una curva bidirezionale, le geometrie ottenute per essere costruite senza alcun rinforzo, devono essere sempre in pura compressione.
La curvatura che produce tensioni in trazione non può essere costruita. (es. iperboli, curvatura negativa senza forze trasmesse in compressione nell'altra direzione ecc.)
 

Analogia di costruzione - Schema di posa dei mattoni

Il modo in cui sono state posate le pianelle determina effettivamente il legame "coesivo" tra di loro.
In generale, ci sono due o più strati di pianelle o mattoni sottili che vengono posizionati.


Figura 6: schemi di posa dei mattoni
Fonte: autore

Le pianelle possono essere posate nel primo strato orizzontalmente, verticalmente o a 45 gradi, successivamente nel secondo strato si può seguire la disposizione variando l'angolo. Se ci sono più di tre strati, il quarto strato può essere posato come il primo strato.

Nelle recenti costruzioni di strutture a forma libera, il modello di muratura regolato dalla forma della struttura, rimane sempre il principio fondamentale della posa dello strato successivo angolato rispetto allo strato precedente. Alle aperture delle strutture a forma libera, vengono utilizzati anche modelli circonferenziali. Analizzeremo in maniera approfondita i modelli di posa delle pianelle in alcuni esempi di casi-studio.
  

Comportamento strutturale

Per costruire una volta catalana, c'è una considerevole letteratura disponibile di Collins [1968], Gulli e Mochi [1995], González [1999] e Huerta et al. [2001]. Tuttavia, non ci sono abbastanza studi sul comportamento strutturale della volta catalana.
Esaminando i primi "trattati" di architettura, non vi è alcuna differenza considerevole tra il comportamento di una volta catalana o di una volta in pietra o mattoni. Le strutture di volta catalana sono considerate "monolitiche" e non esercitano alcuna spinta.


Figura 7. Confronto tra un arco "meccanico" (a) e un "arco coesivo" (b)
Ridisegnato dall'autore. Fonte: Rafael Guastavino [1893]
   
All'inizio del XVIII secolo, molti costruttori e architetti hanno iniziato a dubitare della sicurezza e della durata della tecnica di costruzione della volta catalana.
La classificazione della costruzione secondo Rafael Guastavino è stata fatta in due sistemi: Coesivo e Gravità. Come mostrato nella Figura 7, un "arco catalano" con il singolo spessore avrà giunti verticali in modo che le pianelle agiscano come conci indipendentemente dalla qualità della malta - questo verrà classificato in "Sistema a gravità". Il comportamento della volta catalana a singolo spessore sarà lo stesso del tradizionale arco in mattoni / pietra [Guastavino, 1893].
L'arco a doppio strato, che avrà più giunti e un letto di malta tra due strati formerà un "sistema coesivo", in grado di resistere a momenti flettenti [Guastavino, 1893].

Guastavino costruì volte a botte che si estendono per 6 mt. con notevole sottigliezza, solo 7,5 cm. Dopo un paio d'ore finito di voltare gli operai possono camminarci sopra facilmente in sicurezza senza deformarne la forma. Ciò dimostra la teoria di Guastavino della "costruzione coesiva" e mostra le caratteristiche della tecnica di costruzione a volta catalana.


Figura 8: Rafael Guastavino Moreno (a destra) in piedi su un arco di nuova costruzione al McKim della Boston Public Library
Costruito nel 1889-1890 a dimostrazione della forza di questi sottili archi catalani.
Fonte: per gentile concessione di Avery Library, Columbia University


Figura 9: prova di carico su una scala elicoidale con pianelle. Guastavino nella First Church of Christ.
Fonte: per gentile concessione di McKim, Mead e White Architects (Avery Library)

Guastavino nei suoi scritti ha menzionato molti vantaggi strutturali della costruzione a volta catalana e ha anche detto che sarebbe l'ideale se la costruzione potesse essere realizzata senza giunti.

La tecnica di costruzione delle volte catalane presenta vantaggi quali:

a) I giunti sovrapposti proteggono i giunti verticali dalle fessurazioni
b) Minor numero di giunti verticali
c) Capacità di resistere al momento flettente

Al tempo in cui la costruzione delle volte catalane era al suo apice negli Stati Uniti, non esisteva un metodo accurato per testare la stabilità della struttura oltre ai test di carico fisico. Poiché Guastavino non era a conoscenza dei test scientifici sulle unità di muratura effettuati dalla Francia, eseguì la propria serie di test per verificare la flessione, la tensione e il taglio delle unità di muratura.
Sebbene le volte catalane siano volte in pianelle, si guarda al comportamento delle strutture in muratura; hanno una certa resistenza alla tensione, ci sono crepe se c'è qualche cambiamento nella forma - in questo modo le strutture in muratura si adattano ai cambiamenti nelle condizioni finali. Queste strutture esercitano una spinta e dovrebbero essere calcolate con lo stesso metodo di qualsiasi altra muratura a volta.
Le volte costruite da Guastavino sono forti in compressione e deboli in tensione, simili a qualsiasi struttura in muratura non armata. Tuttavia, con l'uso della tecnica di costruzione del voltare catalano, sono stati in grado di costruire gusci "doppiamente curvi" con maggiore aumento della resistenza. In totale Guastavino e Co. ha costruito più di 10.000 volte e 1000 di loro solo in America tra il 1881 e il 1962 e nessuna volta Guastavino è mai crollata.
 

Innovazione

“Siamo in un'era satura di invenzione. Pertanto, parliamo di innovazione. "
Anonimo
   
Tra la fine del XIX secolo e l'inizio del XX secolo, la tecnica della costruzione a volta catalana ha visto molte innovazioni in termini di metodo di costruzione, uso di un legante, uso di rinforzi e cambiamento nella tipologia di architettura.
La tecnica del volteggio catalano ha raggiunto la sua prima fase di rinnovamento principalmente a causa dei lavori di Guastavino Inc. e del movimento del modernismo catalano. Rafael Guastavino Sr. (1842-1908) ha avviato la moderna applicazione della tecnica di costruzione della volta catalana rudimentale alla fine degli anni 1860 in Catalogna sostituendo la malta di calce con malta di cemento Portland, che conferisce maggiore e più rapida resistenza alla muratura. Guastavino introdusse anche il ferro come rinforzo metallico per aderire alla tensione nella muratura.

Guastavino ha portato molta attenzione alla volta catalana che si è trasformata in un simbolo dell'architettura industriale [Ochsendorf, 2010].


Figura 10: Batlló Factory
Fonte: Collins, G.R. (1968). Il trasferimento della volta in muratura sottile dalla Spagna all'America. Journal of the Society of Architectural Historians, 27 (3): 176-201.

Uno degli esempi migliori è la Fabbrica Batlló di Barcellona, costruita nel 1868. La vasta struttura a un solo piano è illuminata da bucature nelle volte emisferiche portate su nervature di pianelle laminate che a loro volta poggiano su colonne metalliche segnate dal tempo, ricorda l'architettura islamica in Spagna.
Guastavino realizzò molti altri progetti di diverse tipologie aventi come elemento caratterizzante la volta in pianelle.
Le principali innovazioni nella tecnica del volteggio catalano vennero fuori dopo che Guastavino emigrò in America con suo figlio Rafael Guastavino Jr. (1872-1950) nel 1881. Entrambi fondarono la Guastavino Inc. come consulenti antincendio. Il trasferimento di questa tecnica al mercato americano soddisfaceva i requisiti di costruzione di quel tempo, costruzioni con proprietà antincendio, insonorizzazione, igiene e decorazione.
I Guastavino hanno sviluppato un totale di 24 brevetti per il miglioramento del processo di costruzione, uso di nuovi materiali e soluzioni a questioni strutturali.

I Guastavino costruirono oltre un migliaio di edifici con volte catalane negli Stati Uniti e con la loro straordinaria conoscenza di questa tecnica tradizionale raggiunsero una luce di 40 Mt con uno spessore di soli 19 cm in basso e 10 cm in alto [Dugum, 2013].
Dopo che l'acciaio e il calcestruzzo arrivarono sul mercato, nel 1962 la Guastavino Co. chiuse e la tecnica divenne obsoleta.
  
L'uso della tecnica di costruzione della volta catalana nella creazione di espressioni architettoniche si è conclusa con il movimento del modernismo catalano. Anche se, con la fine della guerra civile spagnola, c'è stata un'impennata nella richiesta di strutture non rinforzate [González, 2004]. L'architetto Luis Moya (1904-1990) ha costruito volte catalane a Madrid con caratteristiche espressive e configurazioni senza l'uso di legami di tensione [García-Gutiérrez, 2001]. Moya ha costruito volte catalane fino agli anni '60 dopo che la tecnica fu abbandonata, tranne nella costruzione di scale con volte a pianelle in Catalogna fino agli anni '80.

Con la nuova era degli strumenti computazionali, dei materiali e dei metodi di analisi, la tecnica è stata riproposta in termini moderni: il Prof. John Ochsendorf del Masonry Research Group (MIT) ha sviluppato strumenti digitali come Analisi dell'equilibrio di strutture e cupole in muratura e Analisi del limite in tempo reale della muratura strutturale utilizzando metodi interattivi. Questi strumenti hanno permesso loro di creare nuove forme architettoniche e dimostrare la loro stabilità e sicurezza strutturale.

Il MIT Masonry Research Group ha costruito Pines Calyx (2004-2006), un centro conferenze nel Regno Unito; che mette in mostra una campata di 12 metri con uno spessore di soli 12 cm e una volta a pianelle (simile alla Scala Guastavino). Successivamente, con i Peter Rich Architects, il Prof. John O. e Michael Ramage hanno immaginato ed eretto il Mapungubwe Interpretation Center (Figura 11) che presenta una serie di volte catalane paraboliche realizzate con blocchi CSEB.


Figura 11: Mapungubwe Interpretation Center
Source: www.architectural-review.com

In questo periodo, gli ex allievi del MIT Michael Ramage e Phillipe Block continuano i loro lavori attraverso workshop ed esperimenti con volte catalane. In particolare Block Research Group all'ETH di Zurigo guidato da Phillipe Block ha innovato volte catalane "a forma libera" che hanno dato nuove possibilità alla tecnica di costruzione rudimentale, erigendo strutture a conchiglia ottimizzate ed espressive. RhinoVault, uno strumento interattivo è stato inventato da Block Research Group, che ha contribuito a sviluppare geometrie funicolari che funzionano solo in compressione. Ciò ha avviato un'ondata di costruzioni di forme libere con la tecnica del volteggio catalano.
 
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