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La progettazione strutturale del Soccer City Stadium

P.D. Naidoo & Associates (PDNA) è il principale studio di progettazione intervenuto nella ristrutturazione del Soccer City Stadium. PDNA ha nominato una società tedesca specializzata in coperture, la Schlaich Bergermann & Partners, quale sub-consulente nell’analisi dei dettagli e nella progettazione della particolare copertura e della struttura delle facciate dello stadio.

Lo stadio preesistente, costruito nel 1987, era originariamente un campo da gioco circondato da un terrapieno che conteneva i posti a sedere, presentava due piani di complessi ricettivi e una sola fila rialzata di posti a sedere posta sul lato ovest.

Gli architetti di questo prestigioso progetto, Boogertman & Partners, in partnership con Populous, hanno progettato una “pentola africana” che vuole essere immediatamente riconosciuta dal pubblico di tutto il mondo. Per ottenere questo aspetto così unico, è stata creata una struttura circolare in pianta e in sezione che avvolge le tre file di posti a sedere in cemento preesistenti.

Il formato circolare della pianta di questo grosso “contenitore”, che cinge lo spazio rettangolare con i posti a sedere e il campo, è stato scelto per garantire che ogni particolare della facciata fosse compatibile in pianta ed in sezione, garantendo in questo modo una più facile installazione, lavorazione e finitura. Questo ha inoltre garantito che le 120 colonne in cemento della facciata fossero compatibili in struttura e aspetto. Poiché la preesistente struttura in cemento possedeva una capacità limitata di sostenere il carico supplementare del nuovo tetto, è stato deciso dal gruppo di progettisti di staccare la struttura del tetto da quella del contenitore vero e proprio, e collocarla su 12 pilastri in cemento faccia vista dalla complessa organizzazione.


Strutture di fondazione
Nel Soccer City Stadium sono stati necessari circa 1.350 pilastri di fondazione. Le forze generate dalla struttura in cemento e dal tetto presuppongono infatti che questi carichi eccezionali vengano trasferiti alle fondazioni, il che ha portato alla progettazione e costruzione di strutture di fondazione tra le più estreme mai realizzate in Sudafrica. Tutti i pali ed i supporti laterali sono stati progettati da ARQ e Verdicon, e montati da GEL.

Se da un lato molti pali sostengono importanti carichi di compressione, molti altri sono sottoposti anche a carichi di trazione eccezionalmente forti. La facciata a forma di calabash ed il tetto trasferiscono il carico dal tetto alle fondazioni su pali, lungo dodici pilastri in cemento armato e lungo le centoventi colonne perimetrali inclinate della facciata. Alcune elementi di fondazione devono resistere a carichi di tensione sino a 13000 kN, abbinati a carichi di taglio di 6000 kN e a un momento flettente di 125000 kNm. A causa dello spazio limitato è stato possibile collocare un numero massimo di dodici pali per ciascun elemento di fondazione e ne è risultato che alcuni di essi venivano sottoposti a carichi di trazione di 5800 kN (580 ton). Per adattare i carichi pesanti, i progettisti hanno deciso di ancorare i pali ad una profondità di 6 m nel substrato di arenaria con tondini di ancoraggio montati attraverso la base dei pali.

In alcuni casi sono stati installati pali dal diametro di 1500 mm fino ad una profondità di 33 m, richiedendo quasi 60 mc di cemento per ogni singolo palo.

Pilastri
Il tetto è sostenuto da 12 grandi pilastri rettangolari in cemento alti 40 m, ciascuno dei quali è stato progettato per sostenere grandi carichi sia orizzontali che verticali. La pianta dei pilastri varia da 3,5 m x 5,0 m a 3,5 m x 14,0 m, con uno spessore medio della parete di 600 mm. Il grandissimo contenuto di armatura in acciaio, corrispondente a 460 kg/mc (circa tre volte superiore a quella del cemento armato normale), ha reso estremamente difficile la posa e la compattazione del cemento. La rigidezza dei pilastri sottoposti a diverse combinazioni di carico doveva essere determinata con accuratezza, dal momento che influiva sulle forze nella struttura in profilati d’acciaio del tetto. La progettazione e la rigidezza dei pilastri vennero ulteriormente complicate da varie aperture che si dovevano praticare per i impianti vari (elettrici, meccanici, antincendio) e per lo smaltimento dell’acqua pluviale. Tutti questi impianti erano stati messi a punto nella fase iniziale della lavorazione e modellati in 3D dagli architetti per garantire che tutti gli attraversamenti fossero coordinati tra loro prima di programmare l’armatura. Se ciò fosse stato fatto successivamente, sarebbe stato impossibile prendere in considerazione qualsiasi altra richiesta da parte dei responsabili dei servizi. Questi pilastri sono costruiti sulle fondazioni su pali su descritte, con alcuni pali che sostengono carichi discendenti di 1.100 ton e ascendenti di 580 ton. Oltre che dai pilastri il tetto è sostenuto da 16 colonne circolari dal diametro di 1 metro.

Basamenti dei pilastri
Per trasferire dal tetto, attraverso i pilastri in cemento, questi grandi carichi nei pali di tensione e compressione, si sono resi necessari grandi plinti di collegamento posti a profondità superiore ai 4 m. La costruzione di queste grandi basi ha richiesto un’attenta progettazione, per poter tenere sotto controllo il problema dell’idratazione e garantire la sicurezza dei lavoratori, spesso costretti a lavorare sotto pesanti armature. Le mutevoli condizioni del suolo hanno spesso costretto i progettisti a correggere la progettazione di questi basamenti.


Supporti laterali
Per permettere l’accesso al catino dello stadio ultimato, si sono dovuti creare con scavi verticali tre profondi tunnel. Il tunnel dei giocatori posto ad ovest corre al di sotto della preesistente struttura ed ha un supporto fisso con un’altezza massima verticale fino a 10,0 m. Il tunnel degli spettatori paganti è stato progettato come un pozzo minerario in pendenza a ricordo della ricca storia di estrazione aurifera di Johannersburg.

I tunnel di nord-ovest e nord-est sono stati costruiti attraverso nuove porzioni dello stadio. Per restrizioni di programmazione, si è deciso di costruire in questi tunnel dei supporti laterali fissi, costituiti da tiranti, cemento gettato e rete. Conseguentemente alla costruzione di spessi plinti di collegamento alla base del tunnel nord-orientale, sono stati costruiti supporti verticali laterali alti sino a 13,0 m.

Travi inclinate
Al fine di migliorare notevolmente gli angoli di visuale dello stadio preesistente, l’inclinazione della preesistente gradinata ovest è stata aumentata fino ad un massimo di 34 gradi, ed è stata inserita un’ulteriore gradinata rialzata nella parte superiore del terrapieno dei posti a sedere. Due livelli di strutture di ospitalità e la gradinata superiore sono stati completati nei padiglioni nord, est e sud, creando in questo modo un classico catino a tre anelli. Tutte le travi inclinate sono state costruite impiegando casseforme su misura. I gradoni preesistenti della gradinata superiore ovest sono stati rimossi, triturati e riciclati come base per costruire gran parte dei terrapieni. Tutti i nuovi gradoni di seduta sono in cemento prefabbricato e fabbricati sul posto.

Cantiere di prefabbricazione ed elementi prefabbricati
Per ridurre i tempi di movimentazione, danni agli elementi prefabbricati e allo stesso tempo ottenere un prodotto economicamente vantaggioso, il contraente principale GLTA/Interbeton, ha deciso di costruire in loco un impianto di miscelatura e un cantiere di prefabbricazione. Questo ha permesso ispezioni agevolate e controllo degli elementi, tutti di dimensioni uniche data la preesistente geometria del catino del vecchio stadio, e il loro corretto posizionamento con la minima movimentazione.


Colonne della facciata
Uno degli elementi più complessi della struttura in cemento è stata la progettazione e costruzione delle colonne della facciata. La struttura della facciata si appoggia su 120 colonne in cemento inclinate che avvolgono lo stadio. Le colonne hanno un’altezza di 16,3 m, la sommità di ciascuna ha un’eccentricità orizzontale di 6,5 metri rispetto alla base, e questo produce grandi momenti e carichi ascendenti sulle fondazioni su pali. A causa dei grandi momenti e delle forze presenti su queste sottili colonne, il cemento armato è estremamente denso (860 kg/m³), cosa che ha reso estremamente difficile l’uso di un vibratore interno. Per la costruzione di queste colonne GLTA/Interbeton ha deciso di utilizzare calcestruzzo autocompattante. Tutte le colonne della facciata sono collegate con travi d’ancoraggio che hanno la funzione di limitare la deformazione permanente delle colonne e della struttura della facciata. Progettazione e costruzione delle colonne della facciata sono state effettuate e eseguite con molta cura, con puntellamento ed armatura temporanei in modo da prevenire la deformazione durante la costruzione.

Rivestimento della facciata
La scelta finale del materiale per la facciata è avvenuta dopo un’ampia ricerca da parte degli architetti per selezionare un materiale capace di riflettere la natura del concetto di calabash. Dopo aver scartato l’idea di strutture miste in alluminio, acciaio e altre opzioni di rivestimento, gli architetti hanno scelto di utilizzare un pannello in cemento fibrorinforzato, chiamato Fibre C, della ditta austriaca Rieder Elements. Il prodotto veniva fornito in pannelli con diverse finiture superficiali, levigato e sabbiato, combinando otto diverse tonalità del terreno africano per creare l’unicità di questo variegato rivestimento. I pannelli, leggeri e con spessore di soli 13 mm, sono stati forniti nelle misure standard di 1.200 x 1.800 mm e fissati ad una struttura a telaio in acciaio zincato. I pannelli possiedono inoltre eccellenti proprietà termiche e sono stati sottoposti a test rigorosi tra cui impatto grandine, impermeabilità e test di decolorazione.

Rampe
Sono state costruite otto larghe rampe pedonali progettate per l’ingresso e l’uscita funzionale degli spettatori verso i livelli più alti dello stadio. Queste rampe, che forniscono anche un accesso veicolare a tutti i livelli, seguono la forma del catino della facciata e di conseguenza cambiano posizione in pianta da un livello all’altro. Oltre alle colonne inclinate della facciata, sono inclinate anche le altre colonne che sorreggono le rampe e ciò ha richiesto studio progettuale e tecniche costruttive complessi. Le strutture tridimensionali delle rampe formano imponenti atri che congiungono visivamente e fisicamente tutti i punti di affluenza dello stadio.

Testo: Boogertman & Partners
Foto: ©Silvia Scalzo, ArcelorMittal
1. Lo stadio è stato ristrutturato rendendolo a tre anelli
2. Uno dei pilastri in cemento di supporto al tetto
3. Complessi ricettivi, skyboxes e membrana del tetto
4. Rampa per i pedoni che conduce ai posti a sedere e vista della facciata dall’interno


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