UNA PANORAMICA SULL’UTILIZZO DEL VETRO COME MATERIALE

CAPITOLO 1 1

UNA PANORAMICA SULL’UTILIZZO DEL VETRO COME MATERIALE

STRUTTURALE

NELL’ARCHITETTURA CONTEMPORANEA

CAPITOLO 1

UNA PANORAMICA SULL’UTILIZZO DEL VETRO COME MATERIALE STRUTTURALE NELL’ARCHITETTURA CONTEMPORANEA

Se consideriamo l’Architettura, soltanto come arte bella, prescindendo dalla sua destinazione ai fini pratici, [..] non ci è possibile attribuirle altro intento se non quello di rendere più chiare all’intuizione alcune idee [..] quali gravità, coesione, solidità, durezza – proprietà generiche della pietra [..] e poi, oltre quelle, la LUCE: che per molti aspetti è di quelle un contrapposto.

Arthur Schopenhauer

Tradition left no orders concerning this material as a means of perfect visibility: hence the sense of glass as crystal has not, as poetry, entered yet into architecture. [..] Shadows were the

‘brush work’ of the ancient Architect. Let the modern now work with light, light diffused, light reflected – light for its own sake, shadows gratuitous.

Frank Lloyd Wright

1.1 Introduzione

L’utilizzo estensivo del vetro è diventato ormai il segno distintivo dell’architettura contemporanea, elemento di caratterizzazione formale insostituibile grazie alla sua principale qualità, la trasparenza alle radiazioni luminose nel campo del visibile.

Se un tempo questa sua caratteristica veniva utilizzata esclusivamente per far penetrare la necessaria quantità di luce all’interno degli edifici, con scopi evidentemente pratici ma anche estetici – stante la funzione della luce di “creare” lo spazio architettonico e far risaltare gli elementi volumetrici – oggi il vetro gioca un ruolo importante anche sull’esterno dell’edificio, contribuendo volta a volta a uniformarne l’aspetto, o viceversa a renderlo vario e mutevole, fino ad arrivare ai tentativi di “smaterializzazione” dello stesso attraverso gli infiniti giochi di luce, trasparenze e riflessioni, assicurate da questo straordinario materiale.

Ogni elemento di vetro – anche il più modesto – inserito in un organismo edilizio, è – a rigore – “vetro strutturale” poiché deve comunque resistere a dei carichi imposti, quanto meno al peso proprio e, spesso, alla pressione dovuta al vento, così come i tamponamenti in una struttura a telaio hanno in realtà un loro ruolo statico, anche se nella maggior parte dei casi trascurabile e trascurato.

Il termine vetro strutturale fu però coniato per descrivere quei particolari sistemi di

facciata che, progettati per avere un aspetto uniforme ed ininterrotto, presentano pannelli di

vetro privi di telaio visibile dall’esterno (frameless). In pratica, tali pannelli non sono inseriti

all’interno di una intelaiatura che li sostiene sui quattro lati come nelle facciate tradizionali,

bensì sono incollati sopra una struttura di alluminio e sorretti solo da piccoli morsetti in

prossimità dei quattro angoli. In questo modo la struttura non è visibile dall’esterno, dove

viene percepita una unica superficie vetrata, interrotta soltanto dai giunti di silicone tra un

pannello e l’altro.

Se questa è stata la prima apparizione del vetro strutturale comunemente inteso, in seguito le applicazioni sempre più ardite si sono moltiplicate. Oggi il vetro è utilizzato anche per quegli elementi strutturali (travi, pilastri, membrane) generalmente realizzati con i tradizionali materiali da costruzione come l’acciaio e dalla cui resistenza dipende l’integrità stessa della intera struttura. Alcuni autori circoscrivono a tali elementi il ruolo di vetro strutturale propriamente detto (structural glass) parlando invece di strutture in vetro (glass structures) a riguardo di quelle strutture dove si fa un uso massiccio del vetro, in particolare come rivestimento.

In questo lavoro invece indicheremo genericamente come vetro strutturale tutte quelle applicazioni del vetro dove la sicurezza delle persone è legata ad esplicite richieste di resistenza nei confronti del materiale vetro, dove cioè risulti necessario analizzare il comportamento meccanico dello stesso e le sollecitazioni cui è sottoposto.

Il vetro è un materiale utilizzato in edilizia sin dai tempi antichi grazie, come detto, alla sua principale qualità, quella di lasciare passare la luce. In antichità e fino al XIX secolo il suo impiego era ridotto a piccole superfici, a causa principalmente del suo elevato costo. I procedimenti per ottenere lastre piane di vetro trasparente sono evoluti nel tempo [1, 2] fino all’introduzione del vetro float alla metà del XX secolo, che ha consentito una notevole riduzione dei costi e conseguentemente una diffusione assai maggiore del materiale.

Figura 1: Palm House presso Devon, UK Figura 2: copertura della Halle aux Blés a Parigi

L’altra caratteristica evidente del vetro, la sua intrinseca fragilità, ovvero la sua bassissima resistenza alla propagazione delle cricche, ha impedito per lungo tempo il suo utilizzo come materiale strutturale. Fanno eccezione alcune coperture del XIX secolo, esempi notevoli di arditezza costruttiva (come la Palm House presso Devon, o la Halle aux Blés a Parigi (Figura 1, Figura 2)), nelle quali il vetro ha effettivamente un ruolo attivo in quanto irrigidisce e collabora alla stabilità della struttura, altrimenti troppo deformabile se non addirittura labile (ci sono resoconti dell’epoca che parlano di strutture che “ondeggiavano spaventosamente” prima di essere definitivamente irrigidite con la posa in opera dei vetri).

Tali esempi di coperture restano a testimonianza dell’ingegno e del grande intuito dei

costruttori che le hanno concepite, ma in esse l’utilizzo del vetro come materiale strutturale

resta un fatto quasi involontario, legato più all’intuizione ed alla pratica costruttiva, che ad un atto consapevole ed una valutazione dei rischi. L’uso del vetro come materiale dichiaratamente strutturale è invece una novità introdotta di recente in architettura grazie agli sviluppi dell’ingegneria strutturale nell’ultimo quarto del XX secolo.

Figura 3: alcuni esempi di utilizzo di strutture in vetro e acciaio volto a sfruttare le caratteristiche di trasparenza e riflettività del vetro per scopi funzionali o estetici (Musée des beaux arts, Lille; Pyrámide inversée, Parigi;)

Le tendenze dell’architettura contemporanea verso la “smaterializzazione” del manufatto architettonico vedono dunque il vetro quale naturale protagonista: in primis per la sua trasparenza, ma anche per le riflessioni,

le distorsioni, i cambiamenti di colore e le altre caratteristiche che rendono il suo aspetto differente durante le varie ore del giorno, arricchendo il linguaggio formale e rendendolo “dinamico” attraverso la costante cangiabilità.

Alle esigenze di carattere estetico si accompagnano anche quelle termo- igrometriche e funzionali: coperture e facciate vetrate possono svolgere efficacemente non solo funzioni illuminotecniche, ma anche - se

correttamente progettate - di controllo climatico e acustico, grazie alla possibilità di

combinare lastre di vetro e rivestimenti metallici sottili (vetri basso emissivi) oppure altri

materiali trasparenti (vetri stratificati con PVB per l’isolamento acustico o con camere d’aria

o strati di silica gel per l’isolamento termico), o ancora elementi tecnologicamente avanzati

quali i pannelli fotovoltaici.

Alle richieste estetiche, illuminotecniche, acustiche e termo-igrometriche è possibile infine aggiungere anche quelle statiche. Gli elementi in vetro

possono essere progettati per assolvere essi stessi funzioni

strutturali (lastre sollecitate nel piano, ma anche travi,

colonne, etc…): la costruzione di colonnate o interi palazzi di

cristallo, un tempo descritta in letteratura e fantasiosamente

rappresentata in pittura, è oggi una possibilità concreta. Più

prosaicamente, ma comunque con straordinari risultati

estetici, gli elementi di vetro possono essere associati

opportunamente a materiali tradizionali quali l’acciaio in

combinazioni di estrema leggerezza, trasparenza ed eleganza

formale.

1.2 Il materiale vetro: qualità e difetti, tecnologia e principi di progettazione

1.2.1 Le qualità principali del vetro

La qualità principe del vetro (“prodotto inorganico di fusione raffreddato fino ad una condizione rigida senza cristallizzazione”) è il suo essere un materiale solido trasparente, ovverosia permeabile alla vista, ma impermeabile all’aria, all’acqua, allo sporco, e – con varie gradazioni – al rumore ed all’energia.

Rispetto a materiali plastici che hanno simili qualità (policarbonato, Plexiglas), il vetro ha il vantaggio di una maggiore durezza e quindi maggiore durabilità, oltre ad una resa estetica notevolmente superiore: la superficie del vetro infatti è poco sensibile a graffi ed abrasione, né il materiale discolora col tempo a causa degli agenti atmosferici; per contro il suo peso specifico è maggiore.

Figura 4: copertura dello stadio olimpico di Monaco di Baviera, dopo la sostituzione delle lastre

Figura 5: copertura dello stadio olimpico di Monaco di Baviera: lastre di materiale acrilico prima della sostituzione

Dal punto di vista ambientale, il vetro è un ottimo materiale: sotto l’aspetto

dell’efficienza energetica degli edifici, sempre che venga usato correttamente; ma anche dal

punto di vista delle risorse naturali, in quanto è installato sotto forma di lastre sottili e quindi

in modeste quantità rispetto alla superficie rivestita; soprattutto è riciclabile e derivato da una

materia prima abbondantemente disponibile in natura, la silice.

1.2.2 Resistenza

Ciò che limita l’utilizzo del vetro è invece il fatto che è un materiale dal comportamento poco prevedibile e tipicamente fragile.

Infatti, mentre la sua resistenza teorica a trazione (ottenuta a partire da considerazioni sull’energia necessaria per rompere i legami chimici) è intorno ai 14000MPa, e quella delle fibre di vetro è superiore a 2000 MPa (doppia rispetto all’acciaio più resistente), la resistenza massima a trazione di una lastra di vetro è invece di circa 200 MPa; valore quest’ultimo che sarebbe di per sé comunque elevato, non fosse per il fatto che in realtà tale dato è molto disperso perché la resistenza di qualsiasi lastra di vetro dipende fortemente – oltre che dalla temperatura e dal tempo (fenomeni di “fatica statica”) – anche e soprattutto dalla presenza di difetti sulla superficie (cricche di Griffith), difettosità che gli attuali processi produttivi non sono in grado di emendare.

Figura 6: sin: cricche di Griffith sulla superficie di una lastra di vetro. dxt: grafico che indica la dipendenza della resistenza del vetro non temperato dal tempo di durata del carico

Per questo motivo la distribuzione statistica della resistenza di lastre di vetro semplice (annealed glass) è molto dispersa, il che porta a valori di progetto di 45 MPa per carichi di breve durata, e di soli 25MPa per carichi di lunga durata; alcuni autori inoltre ritengono per questo motivo che il vetro non possa essere classificato in base alla resistenza, quanto piuttosto in base alla probabilità di successo in funzione del livello tensionale; il che rende necessaria una analisi di tipo probabilistico e la valutazione della consistency (omogeneità di comportamento dei vari campioni) del materiale, misurata dal Modulo di Weibull [1, 2, 7].

1 Per chiarire meglio la motivazione per la quale si hanno comportamenti così diversi da parte dello stesso materiale, si può considerare il parallelo tra strutture prevalentemente soggette a compressione, nelle quali all’aumentare della snellezza si verifica una transizione tra collasso plastico e instabilità dell’equilibrio elastico, e strutture prevalentemente tese, nelle quali la transizione si ha tra collasso plastico e frattura fragile all’aumentare della scala dimensionale. Questo fenomeno è presente in tutti i materiali, ma nel vetro è particolarmente evidente perché si verifica nella scala dimensionale delle usuali lastre da costruzione e perché è amplificato dai difetti che si hanno sulla superficie ma anche ai bordi, dovuti al processo produttivo o a urti durante l’istallazione.

1.2.3 Il vetro temperato

Per migliorare le caratteristiche di resistenza si può ricorrere al vetro temperato.

(tempered glass)[ 4, 5]. Il processo di tempera, che può essere termica o chimica, ha lo scopo di migliorare la resistenza della lastra a mezzo di uno stato di precompressione delle zone prossime alla superficie; oltre a migliorare il comportamento flessionale infatti, la compressione neutralizza l’effetto delle cricche superficiali, inibendone la propagazione; tali tensioni di compressione sono equilibrate da tensioni di trazione di minore entità all’interno della lastra, dove risultano meno pericolose.

La tempera termica viene realizzata mediante il riscaldamento uniforme della lastra oltre la temperatura di rammollimento, ed il successivo veloce raffreddamento delle superfici mediante getti d’aria; le zone in prossimità delle superfici, raffreddate, si contraggono; la parte interna, ancora a temperatura elevata, segue plasticamente la deformazione; quando anche la parte interna comincia a raffreddare e contrarsi, le parti esterne, già rigide, oppongono resistenza ed entrano in compressione (fino a 100 MPa).

La tempera chimica [5] consiste nell’immergere il manufatto di vetro in un bagno di sali fusi. Alla temperatura di circa 450°C (inferiore alla temperatura di rammollimento) avviene lo scambio tra gli ioni Na+ presenti nel vetro con gli ioni K+ presenti nella soluzione chimica; questi ultimi, di volume maggiore, conferiscono alla superficie uno stato di compressione residuo che può arrivare fino a 200 MPa. La tempera chimica, al contrario di quella termica, può essere fatta su vetri molto sottili (< 2.5mm) e con caratteristiche dimensionali e curvature complesse.

Il vantaggio del vetro temperato è una resistenza a trazione più elevata e sostanzialmente indipendente dal tempo di applicazione del carico; in genere il valore di resistenza di progetto è di 120 MPa, ed il vetro temperato resiste bene agli urti ed alle azioni termiche.

Per contro, oltre ad un maggior costo, il vetro temperato è suscettibile di rottura spontanea [4, 6] dovuta ad inclusioni di NiS (solfuro di Nichel). Per prevenire tale pericoloso fenomeno il vetro può essere sottoposto ad heat sock test (bagno termico) che riesce ad individuare le lastre difettose sottoponendole per un certo tempo ad elevate temperature.

Figura 7: modalità di rottura di lastre di vetro semplice, parzialmente temperato e totalmente temperato

In ogni caso il vetro temperato deve essere lavorato (fori, tagli, cianfrinature, etc…) prima di essere sottoposto al processo di tempera, in quanto quest’ultimo determina un grande accumulo di energia sotto forma di autotensioni, energia che si libererebbe istantaneamente se il vetro venisse tagliato o forato in un punto, rompendolo in un gran numero di minutissimi pezzi.

Proprio per l’accumulo di energia in questione il comportamento a rottura del vetro temperato differisce sostanzialmente da quello non temperato; mentre quest’ultimo si lesiona in scaglie di grandi dimensioni (il che consente di mantenere una certa capacità portante residua, ma in caso di crollo risulta più pericoloso), il vetro sottoposto a processo di tempera si frantuma interamente in tante piccole componenti, perdendo ogni capacità portante, ma in questo modo risultando meno pericoloso per l’incolumità delle persone che potrebbero trovarsi al di sotto di esso (alcune norme specificano le dimensioni massime consentite delle particelle di vetro temperato dopo la rottura).

Un compromesso tra le qualità del vetro temperato e di quello non temperato è il vetro parzialmente temperato (heat-strengthened glass): esso è ottenuto con un processo simile a quello di completa tempera, ma il raffreddamento avviene più lentamente; la resistenza è inferiore a quella del vetro temperato (70 MPa), ma la modalità di rottura è simile a quella del vetro non temperato, ed è molto poco suscettibile a rotture per inclusione di solfuro di Nichel.

1.2.4 Fragilità – cenni di Meccanica della Frattura

La scarsa prevedibilità del vetro si accompagna purtroppo ad un comportamento fragile, che implica la mancata capacità del vetro di ridistribuire eventuali picchi di tensione;

da qui la necessità di studiare in dettaglio il comportamento strutturale locale, in particolare le tensioni locali di trazione, non potendo fare affidamento sulle risorse di duttilità post-elastiche tipiche invece dei materiali metallici.

Figura 8: Prove a trazione sul vetro danno una risposta perfettamente elastica fino a rottura, manca il benefico effetto dello snervamento tipico degli acciai dolci. Eppure una nave costruita con elementi di acciaio saldati si può rompere in maniera fragile a livelli tensionali piuttosto bassi, mentre una fibra di vetro può essere piegata e sottoposta a tensioni molto elevate.

Una spiegazione del comportamento fragile del vetro e della forte dispersione dei

valori di resistenza è fornito dal teorema energetico di Griffith, primo contributo (1920) alla

Meccanica della Frattura. Tale teoria consiste in un criterio di rottura scritto in termini di

bilancio energetico per materiali elastici dotati di difetti (cricche). Essa stabilisce che la

propagazione repentina di una fessura avviene quando il rilascio unitario di energia elastica corrispondente risulta pari alla quantità di energia superficiale necessaria alla creazione della stessa.

Considerando una lastra di spessore unitario uniformemente tesa, e incidendo la stessa con una fessura di larghezza 2a, si ottiene un rilascio di energia elastica da parte delle zone adiacenti alla fessura. Ipotizzando che il materiale sia elastico e che il rilascio di energia corrisponda alla distensione della zona contenuta nel cerchio di raggio a intorno alla fessura, si ottiene:

a E E dA

dv W

A v

e

2 2 2

2 1 2

1

σε σ

π σ

⋅

= ⋅

⋅

=

∫ ∫

D’altra parte, detta

l’energia per unità di superficie, l’energia superficiale necessaria a creare una fessura di lunghezza 2a (considerando le due superfici della fessura) è pari a:

γ a W

= 4

L’energia totale è data da:

a E a W W

W

2

4 γ − π

σ

= +

=

La teoria di Griffith suppone che, affinché una fessura

preesistente si estenda, è necessario che l’energia elastica rilasciata in una estensione virtuale sia maggiore o uguale a quella richiesta dalla creazione della relativa nuova porzione di superficie libera, e che perciò la seguente disequazione governi il fenomeno:

da dW da

dW

≥ ovvero: 2 π σ 4 γ

2

≥ a E

Il che significa che la tensione necessaria

a far propagare la fessura è inversamente proporzionale alla radice quadrata della lunghezza della cricca, e direttamente proporzionale alla energia di frattura Gic=2

che è una caratteristica del materiale:

a GicE a

E

π π

σ = 2 γ =

In presenza di una sola cricca di dimensioni critiche per lo stato tensionale della lastra, quest’ultima si rompe in maniera fragile, perché la propagazione della cricca è un fenomeno istantaneo che rilascia una elevata quantità di energia, coinvolgendo le zone adiacenti. E’

evidente come la resistenza dipenda dunque dalle dimensioni del difetto più grande, fatto questo di natura statistica.

2 È possibile definire una lunghezza 2ao della fessura, al di sotto della quale lo snervamento a trazione dell’intera lastra precede la propagazione instabile della fessura:

1

y

ao GicE σ

= π

Tale valore inoltre costituisce l’elemento di separazione tra comportamento fragile e comportamento duttile.

1.2.5 Il concetto di Ridondanza nella progettazione di strutture in vetro

Il comportamento fragile, unito alla forte aleatorietà delle caratteristiche di resistenza, è tale da pregiudicare la sicurezza anche della lastra più cautelativamente dimensionata;

questo fatto, che ha escluso per lungo tempo il vetro dal novero dei materiali

“ingegnerizzabili”, può essere superato solo ricorrendo ad uno dei concetti chiave della progettazione con strutture in vetro, che è il concetto [vedi 6, 9] di redundancy (ridondanza):

con tale termine si intende la pratica di raddoppiare gli elementi essenziali in modo che in caso di rottura dell’uno, l’altro continui ad esercitare la propria funzione.

Figura 9: due esempi di ridondanza: 1- mensole di vetro e policarbonato disposte in parallelo; 2- vetro anti- sfondamento ottenuto con l’accoppiamento a mezzo di laminazione di più lastre di cui almeno una non totalmente temperata: il vetro rimane al suo posto anche a seguito della rottura di tutte le lastre

L’applicazione del concetto di ridondanza consente di ottenere, a livello di struttura, quella duttilità mancante a livello di materiale e di singolo elemento strutturale. In pratica, poiché la possibilità di rottura del singolo elemento non può essere del tutto eliminata, occorre far sì che essa non sia pericolosa (eventuali schegge o lamine di vetro rotte non collassino a terra) né pregiudizievole dell’integrità della struttura nel suo complesso (non provochi il collasso globale).

1.2.6 Il vetro laminato

A livello di singolo elemento strutturale l’applicazione del concetto di ridondanza può ad esempio portare all’utilizzo del vetro laminato (o vetro stratificato, laminated glass).

Unendo due o più lastre di vetro a mezzo di uno strato di PVB o di altre sostanze sintetiche si

ottiene un elemento composito che presenta il grande vantaggio di continuare ad offrire

resistenza anche dopo la rottura di una o più lastre costituenti, mantenendo la sua forma e

continuando in gran parte a svolgere il ruolo statico per cui è stato progettato.

Se almeno una delle lastre componenti un vetro laminato è non temperata o comunque temperata parzialmente, il vetro rimane in opera e conserva una residua capacità portante anche a seguito della rottura di tutte le lastre.

Il comportamento flessionale del vetro laminato varia con la durata dei carichi: per sollecitazioni di breve durata si possono ragionevolmente assumere gli strati di PVB/resina come rigidi rispetto alla deformazione a taglio, e perciò considerare tutto lo spessore monolitico; per carichi di maggiore durata invece questa assunzione non è valida ed occorre considerare le singole lastre che lavorano in parallelo. D’altra parte, la maggiore duttilità dell’elemento laminato rispetto all’elemento singolo consente di considerare coefficienti di sicurezza inferiori e perciò dimensioni inferiori delle singole lastre.

1.2.7 Scenarî di possibili rotture locali

A livello di comportamento globale l’applicazione del concetto di ridondanza significa prevedere che la struttura nel suo insieme non collassi a seguito della rottura di una o più delle sue parti. Occorre perciò prevedere accuratamente i vari possibili scenarî di rotture locali, e progettare la struttura in modo che essa sia in grado di ridistribuire i carichi, conservando nel suo insieme una capacità portante sufficiente.

Figura 10: Una rottura locale non porta al collasso dell'intera struttura se opportunamente studiata in fase di progetto come in questo caso (a destra, schizzo del progettista P.Rice raffigurante la re-distribuzione dei carichi nel caso della rottura di un pannello)

1.2.8 I concetti di Gerarchia e Prevedibilità nella progettazione di strutture in vetro

Il concetto di ridondanza deve quindi essere affiancato da quelli di gerarchia e prevedibilità: occorre imporre una funzione precisa a ciascun elemento strutturale, e stabilire l’importanza relativa di ciascuna funzione (ad esempio dividendo gli elementi in primarî, secondarî, etc…); il percorso dei carichi deve essere chiaro e ben identificabile; ciascun elemento deve essere chiamato a svolgere la funzione per cui è stato progettato, non solo per una questione di eleganza formale e di ottimizzazione strutturale, quanto piuttosto per una forte esigenza di accuratezza nella definizione dello stato tensionale, più stringente rispetto ai casi di progettazione con materiali tradizionali.

Vedremo negli esempi proposti più avanti dei chiari casi di applicazione di questi

concetti.

1.3 L’evoluzione delle strutture in vetro: alcune realizzazioni esemplari Il vetro è un materiale che è sempre stato presente in architettura –in maggiori o minori quantità a seconda del periodo storico- sin dalla sua scoperta avvenuta circa 3500 anni fa. Una disamina del suo utilizzo lungo i secoli e della progressiva ‘smaterializzazione’ delle costruzioni grazie al suo impiego potrebbe impegnare molte pagine ed andare ben oltre le finalità di questo lavoro; d’altra parte buone analisi di questo sviluppo sono disponibili in letteratura, in particolare nei testi “Glass in Architecture” [1] e “Atlante del Vetro” [8], cui rinviamo per approfondimenti.

Ciò che invece vogliamo analizzare in questo paragrafo sono alcune realizzazioni paradigmatiche che hanno introdotto tecnologie e concetti innovatori nel campo delle strutture in vetro, per poi concentrarci più specificamente sulle coperture nel paragrafo successivo.

1.3.1 Edificio Willis Faber & Dumas, Ipswich, 1971-75

Si deve a due celeberrimi progetti di Mies van der Rohe del 1919 e del 1922 la concezione architettonica di parete perimetrale continua completamente vetrata. Non realizzati, i due progetti di grattacieli riproducevano su grande scala le forme di un cristallo trasparente, spigoloso il primo, dalle forme curve il secondo, e furono all’epoca rivoluzionari ma non ancora tecnicamente fattibili (pur in un periodo in cui iniziava a crescere un certo interesse per il vetro e la sua trasparenza, come testimoniato dall’opera di Bruno Taut [1, 3, 8]).

Figura 11: i due progetti di grattacieli a Berlino di Mies van der Rohe (il primo, dalle forme arrotondate, è del 1922, il secondo, dalle forme spigolose, del 1919) ed un padiglione in cemento armato e vetro di Bruno Taut

Da sottolineare l’estrema sensibilità estetica del progettista, che già allora si preoccupò di evitare una superficie vetrata monotona, frastagliando il prospetto: “Because I was using glass, I was anxious to avoid dead surfaces reflecting too much light, so I broke the facades a little in plan so that light could fall on them at different angles: like crystal, like cut crystal”.

Direttamente ispirato a tali progetti (in pratica corrispondente ai primi tre piani del secondo tipo di grattacielo) è l’edificio Willis Faber & Dumas dell’architetto Norman Foster ad Ipswich, in Inghilterra [1, 9]. Tale edificio, di tre piani, presenta una facciata continua costituita da lastre di vetro temperato bronzato dello spessore di 12 mm; tale facciata vetrata è interamente appesa in sommità, ed è costituita da file verticali di sei lastre, con la più alta bullonata ad una barra capace di ruotare intorno al punto di connessione con il bordo della copertura; ciascuna lastra è quindi collegata ad ogni angolo con le quattro adiacenti a mezzo di piastra e contro-piastra bullonate. Cordoni di silicone impermeabilizzano e livellano le giunzioni; il tutto è stabilizzato rispetto ai movimenti fuori dal piano da mensole, sempre di vetro, incastrate in corrispondenza dei solai, questi ultimi rastremati per aumentare l’effetto di leggerezza e trasparenza.

Figura 12: facciata vetrata dell'edificio Willis Faber & Dumas, vista notturna ed esploso assonometrico

In questa opera viene sfruttata la resistenza a trazione del vetro temperato: esso viene infatti fatto lavorare sia in trazione (lastre appese) che in flessione (mensole irrigidenti).

Entrambe le soluzioni saranno adottate in seguito in numerosi altri progetti.

1.3.2 Serre bioclimatiche della Cité des sciences et de l’industrie, quartiere de La Villette, Parigi, 1981-86

Le Serre Bioclimatiche de La Villette costituiscono allo stesso tempo un perfezionamento del sistema di facciata dell’edificio Willis Faber & Dumas ed una grande rivoluzione rispetto ad esso [9]. L’ingegnere Peter Rice, insieme agli architetti Martin Francis e Ian Ritchie (che avevano progettato insieme a Foster la facciata dell’edificio di Ipswich), sono chiamati dal progettista della Cité des sciences et de l’industrie a realizzare delle serre che fungessero da transizione tra l’edificio ed il parco circostante, e che pertanto fossero il più leggere e trasparenti possibile.

Una delle innovazioni principali introdotte in questo edificio è la sostituzione dei tradizionali montanti (verticali) in vetro con degli irrigidimenti orizzontali costituiti da cavi in acciaio, tecnologia mutuata dall’industria navale; le altre innovazioni sono relative al sistema delle lastre appese, qui perfezionato con l’inserzione di molle nei punti di sospensione, e con la sostituzione delle connessioni a piastra e contro-piastra bullonate, con un sistema articolato molto più raffinato, formato da rotule e da bielle opportunamente collegate.

Figura 13: la struttura di cavi è ben percepibile dal basso ma quasi trasparente guardando verso l'esterno

La scelta dei cavi di acciaio è scaturita dall’osservazione che il vetro disposto

perpendicolarmente al piano della vetrata non risulta completamente trasparente, a causa della

luce riflessa; inoltre, i tradizionali montanti verticali rientrano all’interno del campo visivo. I

cavi invece, essendo disposti orizzontalmente, garantiscono all’osservatore posto all’interno

una visuale verso l’esterno non interrotta; inoltre, differenziandosene, esaltano la percezione

del piano verticale trasparente di vetro.

Le modifiche al sistema di sospensione si resero necessarie perché le vetrate delle Serre dovevano essere sorrette da una struttura Vierendeel di tubi di acciaio, molto leggera e deformabile, perciò occorreva garantire alle lastre un maggior grado di libertà negli spostamenti relativi, per evitare deformazioni imposte che le portassero a rottura. Nel dettaglio, le innovazioni sono tre (rotules, molle di sospensione, bielle articolate) e hanno rispettivamente le seguenti funzioni:

ƒ l’introduzione delle rotules evita la nascita nelle lastre di momenti flettenti parassiti (come avviene invece in altre tipologie di connessione puntuale quali il Pilkington Planar system), perché esse sostengono il vetro per mezzo di una articolazione sferica in corrispondenza del piano baricentrico della lastra; al tempo stesso esse garantiscono la trasmissione delle azioni fuori dal piano ai cavi orizzontali di controventamento;

Figura 14: tipologie di connessione: 1- piastra e contro-piastra 2- Pilkington Planar 3- Rotule. Nella immagine a destra, la differenza tra il sistema Pilkington e la rotule: quest’ultima non induce momenti flettenti parassiti

ƒ la connessione delle rotules tra loro e con la struttura principale a mezzo di ragni

articolati composti da bielle, consente lo spostamento relativo tra le lastre, evitando

che queste ultime si oppongano alla deformazione laterale della struttura tubolare ed alla deformazione per flessione dei singoli tubi;

Figura 1

Le lastr sedici l quadrat

5: Particolare del ragno articolato che collega 4 rotules e sua funzione

ƒ l’adozione delle molle di sospensione assicura una omogenea distribuzione dei carichi tra le file verticali di lastre appese (infatti, anche in presenza delle connessioni articolate, un impedimento alla traslazione delle lastre tra loro è comunque fornito dai giunti in silicone); inoltre le molle assolvono l’importante funzione di shock absorbers in caso della rottura di una lastra di vetro.

e utilizzate sono di vetro temperato dello spessore di 12mm, di dimensioni 2x2 metri;

astre compongono un pannello, sedici pannelli a loro volta costituiscono la facciata

a, alta ben 32 metri, rivolta verso il parco che circonda l’edificio.

1.3.3 onaco, 1993

Una opzione alternativa alla facciata appesa in sommità è quella, più recente, della facciata composta da lastre sospese puntualmente e agganciate a dei cavi sottili nascosti dietro le giunzioni di silicone. L’evoluzione più spinta di questa tipologia è quella che sfrutta i cavi di acciaio sia per sospendere le lastre di vetro, che per contrastare le azioni fuori dal piano. In questa tipologia rientra la facciata vetrata alta 25 metri e lunga 40 dell’Hotel Kempinski presso l’aeroporto di Monaco di Baviera.

La struttura, progettata da Jörg Schlaich, è costituita da una maglia quadrangolare di lati 1.5x1.5 metri composta da cavi di acciaio inossidabile di 22 mm di diametro che sostengono lastre di vetro temperato e stratificato dello spessore di 10mm. Il funzionamento strutturale non si discosta molto da quello di una enorme racchetta da tennis, con tutte le complicazioni però legate sia alla scala dell’intervento, sia alla tipologia del materiale, che impone deformazioni ridotte entro certi limiti.

Il sistema di fissaggio puntuale adottato consiste in m

connessi a loro volta ai cavi. Tale sistema, afferrando le lastre di vetro ai quattro vertici (con di fori per l’inserimento elle rotule, e garantisce al contempo una sufficiente tolleranza nei confronti delle def

angoli garanti

tra di l e che passa nello spessore di silicone tra le

Facciata dell’Airport Hotel Kempinski, M

orsetti di acciaio inossidabile interposto uno strato di silicone) consente di evitare l’esecuzione

d

ormazioni fuori dal piano; per contro, le elevate sollecitazioni in corrispondenza degli impongono comunque l’impiego di vetro temperato; l’utilizzo della laminazione poi sce un buon isolamento acustico, oltre al vantaggio della ridondanza strutturale.

I morsetti di acciaio hanno dimensioni contenute, e sono costituiti da due piastre unite oro centralmente a mezzo di un connettor

lastre di vetro; tali piastre sono poi direttamente connesse ai cavi verticali e a quelli orizzontali con morsetti ad attrito.

Figura 16: la facciata vista dall'interno e particolari dei morsetti

I cavi verticali hanno la quasi esclusiva funzione di sostenere il peso delle lastre, e mente la struttura del tetto a cui sono collegati.

ciata ai limiti delle possibilità tecnologiche odierne.

di pannelli è sostenuta da un’unica lastra, la cui eve

sono solo debolmente pre-sollecitati, per evitare di caricare eccessiva

I cavi orizzontali invece, connessi alle due ali dell’edificio, sono fortemente pretesi (85kN), in modo che assolvano al compito di limitare le deformazioni ortogonali alla superficie vetrata (comunque elevate, per poter sfruttare gli effetti del II ordine); essi sostituiscono la doppia orditura parabolica di cavi introdotta alla Villette e, giacendo in un piano parallelo e molto prossimo a quello delle lastre di vetro, si confondono visivamente con i giunti di silicone, smaterializzando la fac

Questo tipo di struttura a rete piana di cavi è stato poi riproposto in altre realizzazioni di facciate (Schlaich, Sobek) [11 , 12], ma non è adatto alle coperture, in quanto l’acqua si accumulerebbe nelle depressioni causate dalle grandi deformazioni, e la tenuta non sarebbe garantita. Il suo grande vantaggio è di essere un sistema a “lastra indipendente”, ovvero tale che ogni pannello è portato singolarmente, al contrario della facciata sospesa “pura”, come quelle de La Villette e di Ispwich, dove una fila

ntuale rottura crea grossi problemi di ridistribuzione dei carichi.

Una variante ancora più “spinta” di questa tipologia è quella a “cavo singolo”, dove i soli cavi verticali hanno il duplice ruolo di sostenere il peso delle lastre e, pretesi, di contrastare le azioni ortogonali al piano del vetro. Un esempio notevole è costituito dal Cubo di vetro delle Cantine Ceretto (2002) [13], nella campagna piemontese, dotato oltretutto di facciate strapiombanti, essendo l’asse del cubo inclinato rispetto alla verticale.

Figura 17: Il Cubo Ceretto

1996 a

1.3.4 Passerelle di vetro, Rotterdam, Arnhem, 1994, 1996

L’utilizzo del vetro sotto forma di lastre in coperture o facciate è stata storicamente la prima e principale applicazione strutturale dello stesso, non però l’unica. Ad oggi infatti, molteplici risultano le applicazioni di elementi in vetro, sottoposti alle caratteristiche di sollecitazione più varie: pilastri, puntoni, ma anche lastre sottoposte a taglio, trazione o compressione, travi inflesse, etc.. Un esempio particolarmente interessante è la passerella di vetro realizzata da Rob Nijsse a Rotterdam nel 1994, e l’evoluzione di questa costruita nel

d Arnhem [14].

Figura 18: La passerella di Rotterdam vista da sotto ed esploso assonometrico di quella di Arnhem. Nella terza immagine un puntone di vetro

La passerella in questione è un piccolo intervento (la luce è di soli 3.5m) progettato per collegare in quota due edifici. La struttura portante – una trave costituita da due lastre disposte di taglio collegate da una terza lastra che funge anche da piano di calpestio – è realizzata interamente in vetro laminato di sicurezza, con elementi di connessione in acciaio inossidabile. Sopra di essa, due pareti ed una copertura, sempre in vetro laminato, per riparare il passaggio dalla pioggia.

La seconda passerella si differenzia dalla prima per la forma curva della lastra in copertura, per la maggiore luce (3.8m), ma soprattutto menti di

onnessione in acciaio: tutti gli sforzi di taglio sono affidati ai giunti in silicone.

perché non presenta ele

c

1.3.5 Scale di vetro per i negozi Apple, New York / Los Angeles, 2003

ossidabile con interposizione di altri materiali più deformabili quali neoprene, alluminio, etc..

Le lastre portanti in vetro, così come i gradini, sono costituite da vetro laminato.

Le prime realizzazioni sono state delle scale in retto, poi sono state progettate anche delle scale elicoidali (vedi foto), in ogni caso tutte di estrema leggerezza e trasparenza, tanto che il maggior problema riscontrato è stato paradossalmente quello di vincere la naturale riluttanza degli utenti a camminare sopra una struttura cosi diafana ed eterea.

Un’altra applicazione interessante è quella delle scale in vetro. In particolare, negli anni 2003-2005 sono state sviluppate scale interamente in vetro per alcuni negozi Apple negli USA ed in Giappone.

Anche in queste strutture, così come nelle passerelle

viste sopra, le parti più delicate sono le connessioni,

realizzate in acciaio in

1.4 Lo stato dell’arte nel campo delle coperture in vetro e acciaio

e le coperture in vetro. La prima di stituita da elementi che lavorano

di travi). Ha il vantaggio della à ma non presenta un grado di trasparenza molto elevata – pure nel caso in

ausa delle dimensioni degli elementi adatta a piccole luci.

ƒ

eso ridotto delle aste, sottoposte a compressione semplice. La trasparenza di queste soluzioni è buona, anche se limitata dal fatto che la struttura è composta da almeno due strati (double layer) – corrente superiore e corrente

inferiore –, più le aste di parete.

ƒ Tensostruttura. Eliminando tutti gli elementi strutturali compressi o inflessi, si ottiene la soluzione più leggera e trasparente possibile, in quanto cavi semplicemente tesi possono avere il diametro di pochi millimetri, non temendo fenomeni di instabilità. Generalmente i cavi portanti sono stabilizzati a mezzo di cavi a curvatura contrapposta, da cui la frequente conformazione a paraboloide iperbolico – hypar – o altre forme geometriche anticlastiche. Le coperture leggere realizzate sotto forma di tensostruttura sono pertanto una ottima soluzione – tra l’altro anche

sotto il profilo estetico – ma presentano due grossi inconvenienti: sono molto deformabili, e perciò poco adatte ad essere coperte con un materiale rigido e fragile quale il vetro, e soprattutto comportano delle sollecitazioni di trazione molto elevate sugli elementi al contorno, fatto questo che spesso ne impedisce l’impiego, specie negli interventi sull’esistente.

ƒ Volta sottile. Rappresenta in pratica la soluzione duale della tensostruttura. E’ una struttura resistente “per forma” costituita da elementi prevalentemente compressi. Può essere a semplice curvatura – con generatrice parabolica, circolare o a catenaria, a 1.4.1 Tipologie strutturali

Prima di vedere nel dettaglio alcune realizza introdurre alcune classificazioni entro le quali inquadrar esse può essere fatta in base alla tipologia strutturale:

ƒ Struttura tradizionale (tema flessionale), co prevalentemente in flessione (travi o reticolo semplicit

zioni recenti, riteniamo opportuno

cui anche le travi siano realizzate in vetro – a c portanti. E’ una soluzione

Struttura reticolare spaziale. Per rendere la copertura più leggera, sia fisicamente che

sotto il profilo della trasparenza, si può ricorrere ad una struttura reticolare, o, ancor

più efficacemente, ad una struttura reticolare spaziale. La copertura può essere piana,

curva, a doppia curvatura, e può estendersi su grandi luci, grazie al p

seconda di quale tra queste approssima meglio la funicolare dei carichi permanenti) o nale puro è molto difficile da ottenere a causa di fenomeni di instabilità locali e globali che non consentono l’adozione di nodi a cerniera tra le aste, ma opportune configurazioni idimento consentono di limitare molto le con esse, le dimensioni delle aste costituenti la volta. Nella

1.4.2

L’utiliz copertu

lastre. lle tipologie di posa del vetro può essere il seguente:

2)

nte

a doppia curvatura, generalmente sinclastica. Un comportamento membra

geometriche ed eventuali cavi di irrig ollecitazioni flettenti, e

s

letteratura tecnica anglosassone le volte sottili costituite da un reticolo di aste sono definite single layer grid shell. Esse sono molto versatili, poiché si adattano ad una vasta tipologia di forme, anche complesse e/o organiche (freeform), sono molto leggere e trasparenti, ed impegnano staticamente molto poco le sottostrutture su cui poggiano (contrariamente alle tensostrutture). Essendo però strutture sottili compresse, il loro comportamento nei confronti dei fenomeni di instabilità deve essere attentamente studiato. Vedremo poi nei successivi capitoli esempi significativi di questa tipologia.

Sistemi di sostegno delle lastre

Molteplici sono i sistemi di connessione delle lastre di vetro con la struttura portante.

zo di un sistema piuttosto che di un altro caratterizza molto l’aspetto esteriore della ra vetrata, oltre a influenzare in manier

Un inquadramento di massima de

a decisiva il comportamento strutturale delle 1) Appoggio continuo su telaio non

strutturale (appoggio lineare indiretto). E’ la tipologia di sostegno tradizionale, dove il vetro è sostenuto lungo tutto il suo perimetro da un telaio (in genere di alluminio, ma può essere anche di acciaio zincato o altri materiali) che a sua volta è connesso alla struttura portante.

Appoggio continuo diretto sulla struttura portante (appoggio lineare diretto, direct glazing).

Come nella tipologia precedente, il vetro è sostenuto lungo tutto il suo perimetro (o almeno 2 lati) da un telaio, che però ha in questo caso anche funzione strutturale primaria. Alcune cupole del secolo XIX sono realizzate così; più recenteme

Figura 19: dall’alto verso il basso: 1)appoggio lineare su telaio non portante 2)appoggio lineare diretto 3)sostegno puntuale 4)sostegno concentrato negli angoli 5)struttura portante di vetro

l’uso dell’appoggio diretto è stato reintrodotto da J.Schlaich nella copertura del Museo

di Storia della Città ad Amburgo. Il vantaggio di questa soluzione è la riduzione del

numero degli elementi e perciò una maggiore trasparenza.

3)

4)

alluminio, silicone, neoprene, e viene utilizzato il silicone per chiudere gli spazi tra le lastre. Rispetto al sostegno puntuale presenta il vantaggio di non richiedere la foratura delle lastre.

realizzare la massima trasparenza si può sfruttare elevata resistenza a compressione del vetro e creare gusci a doppia curvatura

munque questa tipologia di copertura risulta essere

elle facciate strutturali, meno nelle coperture, dove

il prob più importante e porta generalmente a scegliere

sostegn etro; questi ultimi sistemi infatti, se progettati

opportu a “seconda linea di difesa” contro l’ingresso

dell’acq nto sulla tenuta delle giunzioni siliconiche.

esempi di coperture che utilizzano il sostegno puntual mentale soluzioni che si affidano al comportamento mem loro esclusivamente a mezzo di adesivi strutturali.

i ottenere connessioni puntuali e lineari sicure, che hanno il vantaggio di non richiedere la foratura della lastra. Sono però ancora limitate le

applica bia anche il compito di far fronte alle azioni

permanenti, poiché non se ne conosce ancora a fondo il comportamento sotto sollecitazioni di lunga d

o o

acciaio golari,

rettang vetro (semplice,

temper copertu ciascun

Sostegno puntuale (frameless, pin supported). Per aumentare la trasparenza il telaio viene eliminato, e le lastre sostenute solo in alcuni punti (in genere in prossimità dei vertici). Viene utilizzato il silicone per chiudere gli spazi tra le lastre. Il contatto puntuale ha il vantaggio della prevedibilità, lo svantaggio è di indurre picchi di tensione che il vetro non è in grado di attutire; occorre pertanto interporre strati di materiali più deformabili tra il vetro ed il sistema di sostegno in acciaio; per eliminare flessioni parassite, il bullone semplice si è evoluto in bullone articolato e quindi in rotule. E’la soluzione senz’altro più valida sotto l’aspetto estetico.

Sostegno concentrato negli angoli (frameless, edge supported). Anche in questo caso il telaio manca, le lastre sono afferrate in corrispondenza dei bordi a mezzo di morsetti. La zona di contatto tra la struttura portante e la lastra è più ampia che nel caso del sostegno puntuale (ha una estensione lineare), ma comunque limitata ad una parte del perimetro. E’ opportuno interporre tra l’acciaio ed il vetro materiali più deformabili quali

5) Struttura di vetro auto-portante. Per l’

costituiti da lastre unite da strisce di silicone o altro materiale adesivo. Esistono oggi alcuni prototipi sperimentali, dei quali si studia il comportamento a lungo termine degli adesivi sotto azioni taglianti e i problemi di instabilità globale e di ridistribuzione delle sollecitazioni a seguito della rottura di singole lastre. Anche la tenuta all’acqua è problematica, co

quella più interessante per gli svilupp Il sostegno puntuale è molto usato n lema delle infiltrazioni di acqua è

i delle lastre lungo tutto il perim namente, consentono di avere un

ua e non fanno esclusivo affidame D’altra parte esistono oggi validi e dei vetri, e sono in fase speri

i futuri.

branale di lastre auto-portanti unite tra Tramite l’incollaggio si possono ogg zioni nelle quali l’incollaggio ab urata.

Le coperture si differenziano poi per inossidabile, ma anche legno o allu olari/romboidali, poligonali, piane ato, stratificato, vetrocamera, etc..).

Nel seguito presentiamo alcune recenti realizzazioni esemplari nel campo delle re vetrate. Sono state scelte in base alla qualità e quantità delle innovazioni che a presenta.

il materiale associato al vetro (in genere acciai

minio), per la geometria delle lastre (trian

o curve), per la tipologia di

1.4 triang

ovvero da una cort pre direzio se stess a form queste l’appog

.3 Cortile DG Bank, Berlino, 1998: volta sottile freeform a maglie olari con appoggio diretto dei vetri

Coperture dalla forma particolarmente complessa (freeform indica forme libere, non esprimibili analiticamente) possono essere realizzate come volte sottili costituite

maglia triangolare di aste.

Un esempio notevole è l’intervento di F.O.Gehry e J.Schlaich per la copertura del interno della DG Bank a Berlino [15]. Tale copertura, per esigen

ile ze architettoniche,

senta una curvatura modesta in direzione longitudinale, molto accentuata invece in ne trasversale e soprattutto variabile da una estremità all’altra, fino quasi a ripiegarsi su

a. La struttura è costituita da aste in acciaio inossidabile di sezione 40x60mm disposte are una maglia triangolare. Le lastre di vetro sono direttamente appoggiate sopra

aste, che sono di dimensioni poco più grandi di quelle strettamente necessarie per gio.

Figura 20: Vista dall'interno della copertura e particolare di un nodo

La volta è irrigidita da cinque diaframmi costituiti da cavi disposti a ventaglio, di cui due alle estremità. I cavi sono necessari per irrigidire la struttura, altrimenti troppo deformabile a causa della modesta curvatura longitudinale. In corrispondenza dei diaframmi la copertura è connessa al resto dell’edificio.

La scelta dell’acciaio inossidabile – più costoso e più difficile da lavorare – è stata fatta per motivi di durabilità ma anche di estetica, volendo sottolineare l’alta tecnologia della

opertura e il c

(8

rigore della progettazione. I nodi, a sei vie, sono in gran parte diversi tra loro

26 tipi diversi), e realizzati grazie all’impiego di macchine a controllo numerico. La griglia

è stata ottimizzata affinché le aste si connettessero ai nodi ad angoli quanto più possibile

prossimi a 60°, per evitare lastre di vetro con angoli eccessivamente acuti.

1.4.4 Vela e Logo della Nuova Fiera di Milano, 2002-05: copertura mista, maglie triangolari e quadrangolari, appoggio diretto dei vetri

180 snelle colonne in acciaio, presenta lungo il percorso frequen

ollegati con nodi capaci di una elevata rigidezza flessionale, e presenta maglie quadrate nelle zone dove non ci sono irregolarità

geometriche; le lastre rettangolari sono direttamente appoggiate su questa maglia e fermate con piccole piastrine di serraggio. Nelle zone caratterizzate da forme libere invece, il reticolo di aste è formato da maglie triangolari, ottenute dividendo le maglie composte da quattro aste con un’ulteriore asta, più snella delle altre, che ha il compito di reggere il terzo lato delle lastre di vetro.

La “Vela” della nuova Fiera di Milano è un enorme nastro di vetro lungo 1.3km, progettato dall’architetto M.Fuksas per collegare i vari padiglioni tra loro. Questa ampia superficie piana, sorretta da ca.

ti ondulazioni, fori ed irregolarità, e si snoda lungo tutto l’asse longitudinale della Fiera, coprendo un percorso pedonale e “avvolgendo”

edifici più piccoli destinati a servizi. E’ attualmente la più grande superficie vetrata d’Europa, ed è divisa in più sezioni da giunti trasversali.

La struttura è costituita da una maglia di profili a T c

Figura 21: La vela è composta da parti piane e da zone a forma libera

In questo modo solo il minimo numero di aste

è progettato per assorbire sollecitazioni flettenti

(profili a T uniti in corrispondenza del nodo con due

bulloni), le altre aste (profili rettangolari connessi al

nodo con un unico bullone), collaborano al

comportamento globale solo con sforzi assiali (ad

esclusione della flessione locale necessaria per

sostenere un lato del vetro). Questo permette di

aumentare la trasparenza, oltre a diminuire i costi

grazie alla semplificazione dei nodi.

Le colonne di sostegno della copertura sono profili cavi, al cui interno viene fatta defluire l’acqua meteorica raccolta a mezzo di fori creati in alcu

corrispondenza di piccole depressioni.

ni nodi posti in

a da funi, appoggio diretto dei vetri

ittà di Amburgo risale ai primi del ‘900 quale era prevista una copertura già nel ra von Gerkan Marg und Partner fu

ione ingegneristica è dovuta a Jörg Schlaich, che progetta una copertura a membrana costituita da aste disposte in maglie quadrangolari e collegate tra di loro a mezzo di un unico bullone, che permette la rotazione nel piano della maglia di un’asta rispetto all’altra.

In questo modo si possono avere lastre rettangolari anziché triangolari – più costose – , ma quello che comporta un effettivo risparmio è l’utilizzo di aste tutte uguali, grazie alla tipologia di nodo che consente delle rotazioni angolari relative nel piano della membrana, sì da poter ottenere anche maglie fortemente deformate quali quelle occorrenti nelle zone di transizione a forma libera.

Il “Logo” della nuova Fiera di Milano è una struttura dalle forme complesse che emerge sopra i padiglioni nella zona centrale del complesso. Così come la Vela, è costituita da aste con sezioni a T disposte a maglie triangolari. Il manto di copertura è solo in parte trasparente: una parte delle lastre infatti è in vetro, l’altra è opaca per governare la distribuzione della luce all’interno del volume.

1.4.5 Corte del Museum für Hamburgische G sottile a maglie quadrangolari irrigidit

eschichte, Amburgo, 1990: volta

L’edificio che ospita il Museo di Storia della C ed ha al suo interno una corte dalla forma ad L, per la progetto originale. Nel 1989 lo studio di architettu

chiamato a realizzare una struttura di copertura per questo cortile che fosse il più trasparente possibile, ma al tempo stesso economica e leggera per non gravare eccessivamente sulla struttura dell’edificio storico. Gli architetti disegnarono due volte a botte di cristallo e una cupola in corrispondenza dell’intersezione di queste, ad esse connessa con una forma libera.

La soluz

Figura 22: Vista delle due volte a botte e della zona di transizione a

Da notare che mentre i tre punti corrispondenti al individuano univocamente un piano, i quattro punti di e possono non appartenere tutti allo stesso piano. Ciò n

cupola

le estremità di una maglia triangolare

stremità di una maglia quadrangolare

on avviene nella copertura cilindrica,

poiché

n individuano un piano, le lastre debbono essere o svergo

a soluzione proposta in questa tesi ricalca uesto principio e sarà meglio chiarita nel capitolo 5.

olare

a di resistenze elettriche per evitare, per effetto Joule, possibili condense.

delle zone di transizione e nelle zone più deformabili di raggiere di cavi pretesi che garantiscono un comportamento a volta sottile anche nelle zone a semplice curvatura, dove sotto carichi dissimetrici sarebbe altrimenti richiesta maggiore rigidezza flessionale.

La struttura appoggia lungo il suo intero perimetro su un profilo HEB 160 poco discosto dal tetto esistente, sorretto puntualmente da profili tubolari che riportano le sollecitazioni ad un’altra trave disposta nel sottotetto, la quale a sua volta scarica sulla struttura dell’edificio storico solo azioni verticali. Alcune maglie sono provviste di aperture comandabili a distanza per l’evacuazione dei fumi e il ricambio d’aria.

Questa copertura sarà trattata più estesamente nel capitolo 3.

essa è una superficie sviluppabile, può invece essere un problema per la copertura a cupola, se progettata come superficie di rivoluzione.

Il fatto è che se le maglie no

late in opera – operazione fattibile solo per piccole differenze di altezza – oppure curve, con grandi incrementi di costo. Il problema è risolto progettando la copertura come una superficie ottenuta per traslazione di una curva lungo una direttrice anch’essa curva:

una superficie così ottenuta risulta sempre composta da maglie quadrangolari piane poiché le aste sono parallele a due a due. L

q

Il problema della maglia quadrangolare con cerniere negli angoli è la sua deformabilità. La maglia triangolare è indeformabile per geometria, quella quadrang

rata agli angoli, è labile. La funzione di irrigidimento può essere assunta dal invece, incernie

vetro, così come avviene in tante costruzioni ottocentesche (vedi paragrafi precedenti).

D’altra parte l’ingegnere moderno non può permettersi gli stessi rischi del costruttore di serre dei primi dell’800, ed il vetro fatto lavorare a taglio è facilmente sostituibile con dei cavi di acciaio lungo le diagonali delle maglie quadrangolari.

I cavi, di sezione sottile, non sottraggono luminosità alla copertura; pretesi e connessi ai nodi mediante morsetti ad attrito, contribuiscono pure a garantire un funzionamento membranale della struttura, permettendo di utilizzare per le aste di acciaio profili di dimensioni molto contenute, le minime necessarie per appoggiarvi direttamente le lastre di vetro laminato dello spessore di 11 mm (6+4+0.76).

Il vetro è posato su appoggi di neoprene conformati in maniera tale da costituire una “seconda linea di difesa” contro le infiltrazioni di acqua, ed è bloccato in corrispondenza dei nodi da

una piastra circolare. Le giunzioni tra le lastre sono chiuse con silicone, ed è previsto lungo le aste un sistem

La copertura è irrigidita in corrispondenza

1.4.6 Chiostro dell’Abbazia di Neumünster, Lussemburgo, 2001-03: guscio retico

ta è stato improntato all’ottenimento dei requisiti funzionali (illum

lare ibrido, sostegno puntuale dei vetri con rotules

L’abbazia di Neumünster, in Lussemburgo, è stata di recente trasformata in un centro multiculturale. Una parte importante della trasformazione ha riguardato la copertura del chiostro, di dimensioni 31.8x15.6m, destinato a diventare spazio di accoglienza e di transito per i visitatori del complesso.

Il progetto dello studio RFR per la copertura vetra

inazione, riparo dall’acqua, ventilazione e controllo climatico) nel pieno rispetto del sito storico. Per minimizzare l’impatto dei nuovi elementi ed ottenere la massima leggerezza ed eleganza, è stato scelta l’innovativa soluzione di “guscio ibrido”

(coque hybride) composto da archi e da cavi.

Figura 23: Vista d'assieme della copertura e particolare della maglia triangolare equilatera

Gli archi, di sezione circolare piena di diametro 80mm, superano trasversalmente la corte, inclinati di 30 gradi rispetto al lato corto della stessa, per una luce di 19 metri ed una freccia di 3. Più rigidi dei cavi, gli archi costituiscono gli elementi principali portanti, secondo i quali si svolge il cammino prioritario dei carichi.

I cavi, in acciaio inossidabile di diametro 16mm, sono disposti lungo due direzioni:

una direzione è quella longitudinale, l’altra è inclinata di 60 gradi rispetto a quest’ultima e anche rispetto alla direzione degli archi. Si viene così a creare una maglia triangolare equilatera. I cavi hanno la funzione di trasferire gli sforzi nel piano da un arco all’altro, garantendo l’effetto di membrana. In questo modo la struttura si comporta nello stesso tempo come u na serie di archi in parallelo per le sollecitazioni fuori dal pia

embranali.

no, e come un guscio reticolare per le quelle m

etria della struttura è prossima a quella della funicolare dei carichi, perciò i momenti flettenti sono ridotti e gli archi sono sottoposti principalmente a sforzi assiali.

L’utilizzo di archi disposti obliquamente consente il mantenimento dello stesso raggio di curvatura fino all’ultimo arco in corrispondenza degli angoli, riducendo solo l’ampiezza della corda. Si evita così il problema tipico di strutture analoghe della riduzione del raggio di curvatura – e quindi della rigidezza – in prossimità dei lati corti.

La geom

La presollecitazione dei cavi costituisce il presupposto essenziale per il funzionamento d arco. Applicando infatti pressione) altrime

ortogonalmente alla sua direzione per mezzo di un

accorciamento del collegamento tra arco e cavo. I cavi longitudinali sono invece solo debolmente pretesi, essendo il loro ruolo solo quello di assicurare la continuità strutturale.

La superficie vetrata forma un rettangolo in pianta, diviso in tre parti: la parte centrale, a curvatura costante, che forma una losanga in pianta; e le due zone di estremità, formanti in pianta dei triangoli, che sono a doppia curvatura. La zona centrale è una superficie di

traslazione, ed è pertanto coperta con vetri quadrangolari piani, a losanga. Le zone di estremità invece, a doppia curvatura, sono coperte con lastre triangolari.

Le lastre di vetro, temperato e laminato, ezzo di rotules specificament

, evoluzioni di quelle introdotte da Peter Rice nelle serre de La membranale della struttura, poiché garantisce quella continuità fisica della maglia triangolare che è necessaria per trasferire gli sforzi di taglio nel piano da arco a

una pre-trazione ai cavi è possibile sostituirli alle barre (resistenti anche a com

nti necessarie. La maglia triangolare “ibrida” comporta il fatto che si abbia un guscio reticolare anisotropo, nel quale le sollecitazioni si

distribuiscono non solo in funzione della geometria, ma anche della rigidezza relativa degli elementi. In base a questa considerazione, ai cavi trasversali – che hanno una lunghezza limitata e una curvatura consistente – è affidato il compito di introdurre uno stato di presollecitazione nella struttura: per far ciò è stato fatto uso della messa in tensione “radiale”, ottenuta tirando il cavo

sono sorrette a m e

realizzate per questo progetto

Villette, frutto quindi della lunga esperienza maturata da RFR in questo campo [vedi anche capitolo 2]. Queste rotules, insieme al sistema di fissaggio, garantiscono l’isostaticità della parte vetrata nei confronti dei consistenti spostamenti differenziali che una struttura flessibile di questo tipo inevitabilmente presenta.

Una trattazione più approfondita di questa copertura sarà svolta nel capitolo 3 [16].

a di una volta a botte di lastre di vetro retesi. In pratica si tratta di un sistema di 37 metri, che sfrutta le lastre quadrate iasi struttura di acciaio ad eccezione dei unzionamento della struttura è infatti taglio della scarpa di connessione delle

e con il reticolo di cavi. Quattro scarpe

– a distanz che conse necessario lastre. Ta cavi coll consenton all’insiem Ovviamente una struttura di questo ti più lastre. Perciò sono state eseguite prove

ottura

enarî possibili.

Le lastre di vetro – disposte secondo una volta a botte di 13.5 metri di luce – sono rettangolari di dimensioni 970x1170mm. Ogni quattro pannelli è inserito un diaframma di funi. I

vetri sono laminati temperati (2x12mm+1.52PVB).

1.4.7 Cortile del Maximilian Museum , Augsburg, 1999: Volta a botte interamente in vetro, irrigidita da reti di cavi

La copertura del Maximilian Museum di Augsburg, realizzata dallo studio di ingegneria Ludwig&Weiler è probabilmente la solu

quelle a tutt’oggi realizzate [17]. La struttura const mantenute compresse e irrigidite da reti di cavi p autoportante interamente in vetro, della lunghezza come elementi strutturali compressi, ed evita quals cavi e degli elementi di connessione con i vetri.

Per il f essenziale il det lastre tra di loro

tenute insieme da un piatto di bloccaggio formano uno snodo e assicurano un ottimale flusso di forze. Lungo le diagonali dei vetri, sotto di essi, corrono da lato a lato d

zione di copertura in vetro più ardita tra

ella copertura delle funi di acciaio fissate agli snodi; esse compongono un reticolo di tiranti di 8mm di spessore, mantenuto in tensione costante.

garantire la stabilità della struttura sono disposti e ravvicinate – dei diaframmi costituiti da funi, ntono di avere il comportamento membranale per la stabilità e la resistenz

A

a dell’insieme di li diaframmi poi, tesi verso il basso a mezzo di egati con la parete perimetrale del cortile,

o di applicare uno stato di precompressione e della volta.

po è molto sensibile alla rottura locale di una o di laboratorio su un modello in scala 1:1 della struttura, modello corrispondente ad una sezione

compresa tra due diaframmi. Su di esso sono state eseguite prove di resistenza a seguito della r

sc

di una o più lastre, ipotizzando i diversi

1.4.8 Prototipo di un guscio di vetro ed adesivi strutturali, ILEK, Stoccarda, 2002

Se le applicazioni di vetro e acciaio che abbiamo visto negli esempi precedenti hanno raggiunto una estrema rarefazione e trasparenza, a livello di ricerca universitaria vengono sperimentate soluzioni che arrivano ad escludere

completamente l’utilizzo di materiali metallici per le connessioni, e si affidano ad adesivi strutturali per la necessaria giunzione delle lastre.

Un esempio particolarmente interessante e cio in ve

progettato presso l’Università dall’Ing. Lucio Blandini sotto l Sobek. Esso è un guscio a doppia diametro, costituito da 4 pannelli annealed di 8mm di spessore più u giunzioni sono ottenute a mezzo d 8mm. A seguito di questo prototi diametro.

La tecno dell’inge

esistono interame MacFarl sono la comport

tempera nti realizzati con adesivi hanno la capacità di

ivo, unito all’effettivo grande etro in architettura subirà in sviluppo ancora maggiore di quello odierno. Le tecnologie esistono già – si pensi

all’indu mente usati – occorre solo

eria civile.

avveneristico è il prototipo di gus tro ed adesivi di Stoccarda [18]

a guida di Werner curvatura di 2.35m di

di vetro laminati curvi, composti da una lastra di vetro na lastra di 2mm di spessore temperata chimicamente. Le i adesivi strutturali, e sono di spessore variabile tra i 5 e gli po, è stata poi realizzata una vera cupola di circa 18m di logia degli adesivi è molto diffusa in altri campi gneria, poco nell’industria delle costruzioni, anche se applicazioni strutturali, come ad esempio la veranda nte in vetro progettata già nel 1992 dallo studio Dewhurst ane (vedi foto a lato). I dubbi residui su questa tecnologia sua resistenza sotto carichi di lunga durata, il suo amento viscoso, e la consistente dipendenza dalla tura. D’altra parte, giu

distribuire molto meglio le sollecitazioni, differentemente dalle connessioni metalliche, che tendono a concentrarle, creando stati di sforzo po

il vetro.

Questo favorevole comportamento statico del giunto ades potenziale estetico, inducono a pensare che grazie ad esso il v futuro uno

tenzialmente pericolosi per

stria aerospaziale, dove gli adesivi strutturali sono ampia adattarle alle esigenze ed alle tolleranze dimensionali dell’ingegn

3 Si veda il sito internet dell’istituto ILEK di Stoccarda