Focus: VETRO
Pubblicato il 20 giugno 2016

(formazione) Vetro (ibrido) strutturale

Travi, colonne, grandi facciate sospese, coperture a guscio, quasi tutto è possibile, “contaminando” il vetro con materiali duttili, metallici e sintetici, che ne aumentino la sicurezza. D’obbligo calcoli accurati e…prudenza. Con buona pace degli architetti.
Nell'ultimo decennio il vetro si è definitivamente affermato come materiale utilizzabile anche per impieghi strutturali non secondari uscendo quindi del tutto dalla fase iniziale, pioneristica e a tratti anche alquanto avventurosa, nella quale impieghi di questo tipo hanno potuto attuarsi solo grazie allo straordinario intuito e alle capacità di alcuni progettisti pur obiettivamente in assenza di un adeguato livello di conoscenze scientifiche e tecnologiche. Oggi al contrario è possibile accedere, dal punto di vista tecnologico, ad un vastissimo repertorio di realizzazioni esemplari e dal punto di vista scientifico si può attingere ai risultati di sistematiche campagne di indagine teoriche e sperimentali finalizzate ad approfondire le conoscenze attorno al materiale base e al comportamento meccanico di strutture in vetro di grande scala. Con il progredire delle conoscenze sotto la costante richiesta di trasparenza proveniente dal mondo architettonico, l’uso strutturale del vetro ha oltrepassato dunque i confini che lo relegavano alle applicazioni di modesto impiego statico come finestrature, parapetti, pianerottoli, ecc. ed ha progressivamente interessato la realizzazione di elementi strutturali primari quali travi, colonne, grandi facciate sospese, coperture a guscio, ecc. Il livello di maturità raggiunto da questo specifico settore è dimostrato anche dalla comparsa in vari Paesi industrializzati di normative raccomandazioni tecniche sull'impiego del Vetro Strutturale in ambito architettonico. Tuttavia, a causa della sua intrinseca e altamente aleatoria fragilità, il vetro rimane ancora un materiale estremamente problematico e pericoloso per impieghi strutturali impegnativi. 
Anche se ormai si dispone di metodi teorici capaci di prevedere con buona affidabilità il tempo residuo che precede la fessurazione di un elemento strutturale in vetro sottoposto ad assegnate storie di carico non è prudente pensare che il mero soddisfacimento di verifiche teoriche di resistenza e stabilità basti a garantire in una grande struttura vitrea livelli di sicurezza sufficienti nei confronti di eventi critici accidentali impossibili da prevedere controllare esclusivamente mediante procedimenti teorici. 

Sicurezza in primo piano 
Un adeguato margine di sicurezza nei confronti dello Stato Limite Ultimo (SLU) di collasso globale può essere infatti raggiunto solo attraverso oculate scelte progettuali in modo che, anche nell'eventualità di crisi per cause accidentali di uno o più elementi vitrei componenti, la struttura globalmente non collassi ma anzi mantenga sufficienti seppur ridotti margini di sicurezza per la salvaguardia delle vite umane. 
Questo risultato è ottenibile esclusivamente sostituendo l’idea utopistica e avulsa della realtà fisica di raggiungere ad ogni costo la trasparenza assoluta con l'idea di porre il vetro in associazione simbiotica con materiali duttili, metallici o sintetici, in modo da realizzare strutture ibride nelle quali il grado di trasparenza è ancora elevatissimo ma non assoluto perché fisicamente irraggiungibile con i mezzi di oggi. Inoltre, un ulteriore problema che le strutture in vetro di grandi luce libera presentano ma che risulta generalmente trascurato è la sicurezza nei confronti dello Stato Limite di Esercizio (SLE) di prima fessurazione. Infatti, in una grande struttura, anche il solo manifestarsi di una singola fessura in un elemento componente suscita conseguenze economiche paragonabili a quelle di un collasso totale perché la fessurazione implica necessariamente la completa rimozione e sostituzione dell'intera struttura non essendo pensabile, per ovvi motivi psicologici ed estetici, di mantenere ad esempio in opera una trave in vetro parzialmente fessurata, anche se lontana dal collasso finale. Nell'articolo verranno dapprima esaminate in sintesi le strategie fino ad oggi adottate per ottenere strutture vitree di grande impegno statico, quindi verrà proposto un concetto statico alternativo attraverso il quale raggiungere grandi luci libere sia orizzontali che verticali, con strutture in vetro ben performanti sia nei riguardi dello SLU di collasso finale che dello SLE di fessurazione. 

Strategie costruttive di salvaguardia contro lo Stato Limite Ultimo di collasso globale Fail Safe Design 
L'obiettivo di ottenere una struttura vitrea con un buon comportamento post-fessurativo è raggiungibile se la concezione strutturale rispetta i due principi di ridondanza e di gerarchia strutturale del Fail Safe Design (FSD). Il principio di ridondanza impone che due o più componenti gemelli siano disposti in parallelo in modo che nell'eventualità del collasso parziale o completo di un componente gli altri siano ancora in grado di esplicare la funzione portante con un livello di sicurezza inferiore ma ancora accettabile. Il rispetto del principio di gerarchia delle resistenze permette invece di garantire un comportamento complessivamente duttile della struttura attraverso una successione prestabilita di crisi parziali degli elementi componenti. In tale successione la crisi degli elementi duttili deve precedere quella degli elementi fragili i quali sono dimensionati in modo da risultare sovra-resistenti rispetto agli elementi duttili.  
Le prime tipologie di strutture di vetro in un certo impiego sono state le lastre laminate inflesse fuori dal loro piano medio, destinate a orizzontamenti calpestabili e pareti di facciate continue. Subito dopo sono apparse le nervature orizzontali e verticali anch’esse laminate ma inflesse nel loro piano medio, spesso utilizzate per sostenere e irrigidire le precedenti superfici. In questi elementi la laminazione di due o più lastre gemelle soddisfa il principio di ridondanza ma non quello di gerarchia delle resistenze. Infatti, se una delle lastre componenti si fessura, le altre lastre ad essa solidali consentono ancora il flusso in by pass delle trazioni evitando il collasso globale ma non è possibile stabilire a priori un ordine di manifestazione delle crisi tra le varie lastre e non è ovviamente possibile pilotare la rottura finale verso la duttilità essendo tutti gli elementi resistenti costituiti da fragile vetro. Anzi, l’eventualità che tutte le lastre del sandwich si fessurino nello stesso punto, anche se probabilisticamente remota, non può essere esclusa. Nelle travi di vetro laminate un notevole progresso è stato raggiunto introducendo il concetto di ibridismo della costruzione attuato nelle prime applicazioni mediante l'incollaggio, spesso già in fase di laminazione, di un'armatura metallica al lembo teso (travi di vetro con armatura passiva). Come nel cemento armato, in caso di fessurazione anche estesa del vetro l'armatura tiene uniti i lembi delle fessure, aumenta il carico di collasso della trave e scongiura il pericolo di un collasso globale improvviso. Dosando opportunamente l'area della sezione metallica rispetto a quella vitrea è possibile far sì che lo snervamento dell'armatura preceda la crisi per compressione del vetro nel rispetto del principio di gerarchia delle FSD e garantendo quindi anche modalità di rottura duttili. 

Compressione endogena ed esogena 
Un ulteriore grande passo verso il raggiungimento di grandi luci è stato ottenuto introducendo nelle sezioni trasversali vitree tensioni di compressione aggiuntive che si sovrappongono alle eventuali auto-tensioni da tempera del materiale base e che inibiscono ulteriormente l’iniziazione delle fessure e la loro propagazione. Queste compressioni aggiuntive possono essere endogene ed esogene: le prime sorgono per motivi morfologici a partire dagli effetti del peso proprio come tipicamente nelle strutture piane ad arco o spaziali a guscio. Le seconde sono generate da cause esterne artificiali quali usualmente le precompressioni attuate nelle travi di vetro con armatura attiva mediante cavi metallici o sintetici scorrevoli e post-tesi. 

Continuità o segmentazione? 
Livelli di resistenza e rigidezza adeguati all'impiego sono i due requisiti più importanti di un qualsiasi organismo strutturale. È dunque perfettamente comprensibile che anche nelle strutture in vetro e specialmente nelle travi vitree di luce notevole i progettisti abbiano cercato con ogni mezzo di ottenere il più elevato grado di monolicità e continuità strutturale possibile al fine di massimizzarne la rigidezza essenzialmente attraverso la tecnica della laminazione, come testimoniato dalle travi di grande luce laminate a giunti sfalsati in cui l'impiego per realizzare travi vitree di grande luce risulta però limitato per le seguenti ragioni: 
- Una prima limitazione è costituita dalla lunghezza commerciale delle lastre vitree componenti che normalmente non eccede 6 metri. È vero che si può superare questo limite con una tecnica simile a quella usata nel legno lamellare laminando in tre o più strati lastre disposte in serie con giunti, come detto, sfalsati trasversalmente ma occorrono autoclavi di dimensioni non usuali. 
- La necessità di avere una laminazione ad almeno quattro strati implica che il peso proprio strutturale sia una frazione importante del carico limite ultimo. In ogni caso, per garantire sufficiente resistenza alla fessurazione e adeguate riserve post-fessurative, è necessario ricorrere come accennato ad armature passive. Tuttavia, volendo far sì che il comportamento post-critico sia duttile, non sarà possibile introdurre percentuali molto elevate di armatura. L'incremento del modulo di resistenza della sezione mista omogeneizzata prodotto in Fase I non fessurata dalla presenza dell'armatura sarà quindi modesto.  
Altrettanto modesti e necessariamente decrescenti con l'aumentare della luce risulteranno anche il carico esterno di prima fessurazione e quello di collasso rapportati al peso proprio strutturale. 
- Una ulteriore severa limitazione è infine quella, già menzionata nell'introduzione, dovuta al fatto che l'intera trave deve essere rimossa e sostituita anche se una singola fessura compare in una delle lastre componenti rese tra loro inseparabili dalla laminazione. 
La presollecitazione dell'armatura incrementa il rapporto tra carico utile e peso strutturale ma non sarà mai possibile evitare che per cause accidentali o per combinazioni di carico difficilmente prevedibili si formi una fessura anche in uno solo degli elementi componenti rendendo inevitabile la rimozione di tutto il manufatto con conseguenze economiche proporzionale alla dimensione della struttura. Anche questa ultima limitazione può essere però superata associando all'idea di ibridismo e auto o presollecitazione quella di segmentazione della componente vitrea, ossia adottando una concezione strutturale diametralmente opposta a quella della continuità appena delineata e fino ad oggi universalmente accettata e adottata. 

Travi Vitree Tensegrity (TVT): modulari, segmentate, precompresse  
Le prove sperimentali condotte con successo sui prototipi TVT Beta (L= 3.330 mm) e TVT Gamma (L=12.000 mm) di Travi Vitree Tensegrity, hanno dimostrato che si possono raggiungere in sicurezza luci considerevoli con travi di vetro leggere se si abbandona paradossalmente il concetto di monolicità e si adotta quello opposto di segmentazione suddividendo la trave in tanti pannelli di vetro dotati di dimensioni relativamente contenute e conveniente geometria modulare, interconnessi reciprocamente solo mediante presollecitazione di cavi o barre duttili. Si può in altre parole dire che la frammentazione causata dalla fessurazione delle travi in vetro a parete continua al raggiungimento del collasso è stata anticipata nelle TVT e disciplinata in una suddivisione regolare di pannelli triangoli equilateri identici disposti secondo uno schema Warren. I concetti strutturali fondamentali ispiratori le TVT sono perciò l’ibridismo, la segmentazione e la presollecitazione. A livello complessivo le TVT si compongono di due anime parallele opportunamente distanziate fra loro e composte da pannelli triangolari equilateri in vetro. Il collegamento trasversale tra i due ordini paralleli è ottenuto mediante profili tubolari di acciaio avvitati al centro dei nodi metallici. La piattabanda superiore compressa è composta da un insieme di pannelli vitrei rettangolari disposti ortogonalmente alle anime ed aventi oltre alla funzione di aumentare l'area della zona compressa, anche quella di controvento flesso-torsionale orizzontale. Nelle TVT la ridondanza è attuata a livello locale grazie alla laminazione dei singoli pannelli mediante due lastre di vetro HSG e a livello globale della trave medesima grazie a due ordini paralleli di pareti d’anima. Il dimensionamento allo SLU delle componenti è avvenuto in modo che la crisi per snervamento delle parti in acciaio preceda sempre quella per compressione delle parti in vetro, generando così nell'intera struttura un comportamento al collasso globale duttile. Allo SLE il sorgere di nocive trazioni nel vetro, che potrebbero provocare la fessurazione, viene impedito dalla decompressione dei vertici dei pannelli dal successivo distacco dai loro alloggiamenti nei nodi metallici. Al crescere dei carichi esterni la decompressione si propaga nella mezzeria verso gli appoggi e lo schema statico della trave muta gradualmente trasformandosi da ultimo in quello di una travatura reticolare nella quale le parti compresse sono in vetro e le parti tese in acciaio. In questo modo i due materiali vengono chiamati a svolgere i ruoli rispettivamente per loro più congeniali ed il vetro, essendo in pratica solo compresso, risulta idealmente indenne da fessurazione. Questo accorgimento costituisce la principale caratteristica di originalità del sistema TVT e la ragione essenziale dell'elevata efficienza statica esibita dai prototipi Beta e Gamma nel corso delle prove sperimentali. 

Una estensione spaziale del concetto TVT: i Soldi Vitrei Tensegrity (SVT) 
L’estensione spaziale del concetto meccanico e formale ispiratore delle Travi Vitree Tensegrity ha condotto all’ideazione del sistema costruttivo Solidi Vitrei Tensegrity (SVT). Infatti, mentre le TVT sono strutture piane ottenuta per composizione modulare su schema di Warren di pannelli triangolari equilateri in vetro stratificato, nel sistema SVT i pannelli possono essere collegati tra loro in modo da ottenere qualsiasi superficie spaziale poliedrica a facce triangolari equilatere. 
La mutua aggregazione dei pannelli triangolari equilateri è ottenuta anche in questo caso attraverso la tecnica della precompressione reciproca deli elementi operata mediante cavi e barre metalliche o anche fibre artificiali poste in pre-trazione. 
Sia i vertici dei pannelli triangolari che formano i tetraedri che i cavi o le barre trovano alloggio in nodi di acciaio a lega di alluminio di nuova concezione denominati Hexamak (Hexagonal Adaptive Multifunction Knot, brevetto MI2013A001496 del 10/09/2013). Il nodo Hexamak è composto da tre fino a sei settori identici con un angolo di apertura pari a 60°. Come il sistema TVT, ciascun settore è confermato in modo da contenere il vertice di un pannello triangolare di vetro, impedendo completamente tutte le componenti di moto relativo tra nodo e pannello ad esclusione della possibilità, per il pannello, di traslare lungo la bisettrice dell’angolo al vertice nel senso dello sfilamento. Mentre nel sistema TVT i nodi erano costituiti da settori rigidamente interconnessi, nel sistema SVT i settori sono mutuamente rotabili per mezzo di cerniere cilindriche aventi come assi di rotazione gli spigoli ideali della generica superficie poliedrica. 
Il perno di queste cerniere cilindriche è costituito dalle stesse barre o cavi di presollecitazione. In particolare, è possibile ottenere una larga varietà di solidi completamente trasparenti dotati di geometrie complesse come ad esempio spirali e tori tetraedrici, strutture turriformi variamente sfaccettate, piramidi tetraedriche, ecc. Si osserva infine che il sistema TVT delle Travi Vitree Tensegrity può essere considerato un semplice sottoinsieme del più generale sistema SVT dei Solidi Vitrei Tensegrity. 

Strutture ibride compresse con tecnica misto endo-esogena 
Il vetro esibisce una resistenza a compressione pura che si aggira attorno a 10.000 daN/cm2. Pertanto, la capacità portante e l’affidabilità di strutture ibride vengono elevate moltissimo se si riesce, attraverso dispositivi costruttivi del tipo visto in precedenza, ad affidare a questo materiale in modo pressoché esclusivo l’assorbimento delle tensioni di compressione sottraendolo al contempo alle nocive trazioni. Tuttavia, volendo realizzare strutture nelle quali il peso proprio sia una frazione piccola del carico utile portato, gli spessori delle lastre di vetro devono essere molto contenuti e di conseguenza la snellezza delle parti compresse risulta molto elevate con valori che si aggirano attorno a 300-350. La modalità di crisi di questi elementi risulta quindi non tanto da schiacciamento semplice quanto la ben più insidiosa instabilità (buckling). 
Per evitare anche questo pericolo occorre allora limitare le lunghezze di libera inflessione vincolando opportunamente in modo puntuale o continuo le parti compresse, sia tra di loro che agli elementi metallici adiacenti.  
Se si esamina ad esempio il prototipo TVT Gamma, i lati compressi dei pannelli vitrei triangolari posti al lembo superiore sono vincolati al centro con lastre rettangolari adiacenti, che costituiscono la piattabanda superiore compressa, attraverso idonei fissaggi a ganascia che includono anche le barre di precompressione superiori. 
Con questo accorgimento i punti di mezzo dei due ordini di lastre sono mutuamente impediti di sbandare fuori piano, pertanto la snellezza delle lastre viene dimezzata e la tensione critica a carico di punta quadruplicata. È evidente che aumentando il numero di vincoli reciproci in funzione della intensità delle compressioni si riesce ad uniformare lungo l’asse della trave le riserve di stabilità dei pannelli di vetro. Procedendo per questa strada si giunge all’uniforme reciproco vincolamento dei bordi vitrei compressi che a quel punto assumono la funzione di veri e propri corridoi di flusso delle compressioni. 
Se il vincolo stabilizzante comprende anche parti metalliche adiacenti si può passare alla formazione locale di vere e proprie aste miste vetro-metallo compresse in parallelo e reciprocamente stabilizzate, come proposto per la realizzazione di colonne miste vetro-acciaio di elevata portanza. 
Lungo questa strada i sistemi TVT e SVT compiono un ulteriore passo evolutivo che consente loro di raggiungere in sicurezza luci orizzontali di 30-35 m e slanci verticali di 20-30 m come confermano, per ora solo sul piano teorico, simulazioni numeriche sviluppate di recente.  


Pubblicato su Modulo 400, aprile/maggio 2016
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