“Don’t fight forces, use them!” R. Buckminster Fuller
“The most powerful way that an engineer can contribute to the work of architects is by exploring the nature of the materials and using that knowledge to produce a special quality”
ABSTRACT
Un nuovo tipo di trave in vetro, segmentata e presollecitata è stato sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università di Pisa. Con questa tecnologia si ri-tiene di poter superare luci al limite delle attuali potenzialità del materiale.
L’idea di base consiste nello sfruttare le proprietà del vetro in compressione e dell’acciaio in trazione, con l’obiettivo di realizzare una struttura a risposta duttile. Le giunzioni tra i componenti sono realizzate per semplice contatto e l’integrità della trave è garantita dalla presollecitazione autoequilibrata di tiranti, per questo la struttura è stata de-nominata Trave Vitrea Tensegrity (tensile-integrity).
Nell’ottica di una progettazione fail safe, sono stati rigorosamente rispettati i principi di gerarchia e ridondanza strutturale.
La trave è infatti composta da pannelli di vetro stratificato temperato chimicamente. Questa scelta garantisce buone risorse postcritiche perché le lastre si rompono in grossi frammenti che restano collegati dal materiale plastico di interlayer, conservando parzial-mente la propria capacità portante. Ulteriore ridondanza strutturale deriva dall’aver dispo-sto due identici piani vetrati in parallelo.
La progettazione gerarchica consiste nel prevedere il meccanismo di collasso e nel dimensionare gli elementi in modo che la crisi avvenga con un ordine preciso: prima lo snervamento dei tiranti, poi le prime lesioni nel vetro e solo dopo ulteriori incrementi di ca-rico il collasso definitivo.
Questa tesi di laurea offre dapprima una panoramica sulle applicazioni strutturali più recenti del vetro, con particolare riguardo alle travi (capitolo 1). Vengono poi descritte le proprietà che fanno del vetro un materiale tanto particolare nell’ambito dell’ingegneria ci-vile ed impongono tecniche di progettazione alternative (capitolo 2).
Nel capitolo 3 viene esposta una rassegna dei principali metodi di verifica esistenti. Il capitolo 4 tratta della concezione strutturale della trave TVT. Il capitolo 5 illustra le simu-lazioni numeriche svolte con analisi non lineari per geometria (instabilità progressiva con modellazione delle imperfezioni iniziali), per materiale (legami costitutivi non lineari) e per cambiamento di stato (elementi di contatto reagenti solo a compressione). Nel capitolo 6 vengono descritte le fasi di assemblaggio e presollecitazione della trave e le prove di ca-rico. Infine nel capitolo 7 vengono commentati i risultati delle prove confrontandoli con ricerche svolte presso altre università europee e con i risultati analitici e sperimentali rela-tivi al prototipo di prima generazione della trave TVT realizzato a Pisa nel 2007.
SOMMARIO
CAPITOLO 1 INGEGNERIA E VETRO ... 13 1.1 Introduzione ... 13 1.2 Architettura trasparente ... 14 1.2.1 Facciate ... 18 1.2.2 Coperture ... 22 1.2.3 Pilastri e pareti ... 26 1.3 Travi di vetro ... 281.3.1 Travi stratificate a parete continua ... 28
1.3.2 Travi stratificate con giunzioni ad attrito ... 31
1.3.3 Travi stratificate composte con giunzione a spinotto ... 33
1.3.4 Travi in sezione mista ... 35
1.3.5 Travi stratificate con armatura “attiva” ... 35
CAPITOLO 2 IL VETRO: PROPRIETÀ E CARATTERISTICHE MECCANICHE DEL MATERIALE... 39
2.1 Il materiale base ... 39
2.1.1 La natura del vetro ... 39
2.1.2 Composizione ... 40
2.1.3 Materie prime ... 42
2.1.4 Processi di produzione ... 44
2.1.5 Proprietà chimiche e fisiche ... 45
2.2 Tipi di vetro ... 47
2.2.1 Vetro borosilicatico ... 47
2.2.2 Rivestimento e trattamento superficiale ... 47
2.2.3 Trattamento termico ... 49
2.2.4 Tempera chimica ... 51
2.2.5 Vetro stratificato ... 52
2.2.6 Vetro curvato ... 54
10 SOMMARIO
2.3.1 Influenza dei difetti superficiali ... 55
2.3.2 Meccanica della frattura ... 56
2.3.3 Fatica statica ... 58
CAPITOLO 3 METODI DI VERIFICA ... 60
3.1 Tensioni ammissibili ... 60
3.2 Metodi di verifica europei ... 62
3.2.1 Prove di norma per la determinazione della resistenza ... 62
3.2.2 Metodo DELR ... 65
3.2.3 Metodo di Shen ... 67
3.2.4 Metodo di Siebert ... 68
3.2.5 Normativa europea prEN13474 ... 70
3.2.6 Esempio di calcolo della resistenza secondo prEN 13474-3:2007 ... 75
3.3 Metodi di verifica nordamericani ... 76
3.3.1 Glass failure prediction model (GFPM) ... 76
3.3.2 Normativa statunitense (ASTM E 1300) ... 77
3.3.3 Normativa canadese (CAN/CGSB 12.20) ... 79
3.4 Confronto tra i diversi metodi ... 80
CAPITOLO 4 TRAVE VITREA TENSEGRITY ... 83
4.1 Sistema strutturale Tensegrity ... 84
4.2 Concezione strutturale della trave TVT ... 87
4.2.1 Il vetro ... 87
4.2.2 Le funi ... 88
4.2.3 I nodi metallici e l’interfaccia acciaio-vetro ... 91
4.3 Gerarchia e ridondanza ... 92
4.4 Modularità ... 94
4.5 Caratteristiche geometriche e meccaniche dei prototipi ... 95
4.5.1 Trave TVT ... 95
4.5.2 Trave TVT ... 97
SOMMARIO 11
CAPITOLO 5
ANALISI NUMERICA AGLI ELEMENTI FINITI ... 103
5.1 Analisi non lineare ... 104
5.1.1 Metodi numerici di analisi strutturale: calcolo matriciale ... 104
5.1.2 Non linearità ... 106
5.1.3 Metodi di calcolo incrementale ... 108
5.2 Analisi di stabilità ... 111
5.2.1 Analisi di stabilità lineare ... 111
5.2.2 Analisi di stabilità non lineare ... 112
5.3 Trave TVT: descrizione dei modelli ... 114
5.3.1 Modello TVT β1 ... 114
5.3.2 Modello TVT β2 ... 119
5.3.3 Modello TVT β3 ... 120
5.3.4 Modello TVT β4 ... 121
5.4 Risultati numerici ... 123
5.4.1 Descrizione delle analisi ... 123
5.4.2 Comportamento meccanico nel piano ... 124
5.4.3 Influenza della pretensione delle funi ... 130
5.4.4 Stabilità locale dei pannelli di vetro ... 131
5.4.5 Stabilità flessotorsionale della trave ... 135
CAPITOLO 6 ANALISI SPERIMENTALE ... 143
6.1 Assemblaggio ... 143
6.1.1 Descrizione generale dei componenti ... 143
6.1.2 Composizione dei piani vetrati ... 147
6.1.3 Collegamento dei piani e controventamento ... 148
6.2 Presollecitazione ... 149
6.2.1 Nomenclatura degli elementi ... 149
6.2.2 Tesatura delle funi ... 150
6.3 Strumentazione della trave ... 152
6.3.1 Descrizione generale delle prove ... 152
12 SOMMARIO
6.4 Prove dinamiche ... 157
6.5 Prove statiche ... 161
6.5.1 Cadute di tensione nelle funi e variazioni termiche ... 161
6.5.2 Prove cicliche non distruttive ... 162
6.5.3 Prova di carico a rottura ... 167
CAPITOLO 7 CONCLUSIONI E PROSPETTIVE ... 173
7.1 Confronto fra analisi sperimentale ed analisi numerica ... 173
7.2 Confronto con altre strutture simili ... 175
7.3 Confronto con il prototipo TVT ... 179
7.4 Margini di miglioramento ... 181
7.5 Possibili applicazioni ... 184
BIBLIOGRAFIA ... 187
