UNIVERSITÀ DI PISA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Specialistica in:
INGEGNERIA DELLE COSTRUZIONI CIVILI
CURRICULUM GENERALE
Tesi di Laurea Specialistica:
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A.
MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Relatori:
Candidato:
Prof.
Ing.
Mauro
Sassu
Dott.
Mario
Lucio
Puppio
___________________
____________________
Prof. Ing. Maurizio Froli
___________________
Prof. Ing. Anna De Falco
___________________
A.A. 2012/2013
Riassunto del lavoro
E' oggetto di studio una categoria edilizia tipica degli anni '60, formata da telai in c.a. con pilotis
a piano terra. Prendendo le mosse dall'analisi di un insieme di tali edifici presenti sulla costa toscana
e preso atto dei loro problemi di carattere energetico e strutturale, si propone una tecnica di
riqualificazione attraverso un sistema ibrido di telai esterni in vetro e acciaio.
In aggiunta è previsto, per un edificio in particolare, lo sviluppo di un progetto di
consolidamento strutturale di tipo tradizionale e con elementi in vetro e acciaio. Questi, oltre a
consentire un notevole incremento di capacità portante al sisma unito a un certo pregio estetico,
possono fornire vantaggi termici ed energetici attraverso l'introduzione di elementi fotovoltaici
integrati nel telaio stesso.
Nella fattispecie sono studiate due soluzioni progettuali (Soluzioni A e B), miranti ad applicare
questo sistema ibrido, con particolare attenzione verso la soluzione A, di minore costo ed impatto.
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice Pagina i
Capitolo I
1
Il vetro strutturale, applicazioni ... 2
1.1
Generalità ... 2
1.2
Facciate in vetro ... 2
1.3
Casi studio pisani... 5
1.4
Moderne costruzioni ... 6
1.4.1
Facciate moderne ... 7
1.4.2
Coperture ... 8
1.4.3
Edifici ... 8
1.4.4
Forme libere ... 10
1.4.5
Altre applicazioni ... 11
1.5
Bibliografia ... 13
1.5.1
Articoli e pubblicazioni ... 13
1.5.2
Tesi ... 13
1.5.3
Testi ... 13
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice Pagina ii
Capitolo II
2
Caratteristiche dei materiali e basi di calcolo ... 15
2.1
Vetro ... 15
2.1.1
Generalità ... 15
2.1.2
Caratteristiche meccaniche ... 16
2.1.3
Proprietà fisiche ... 16
2.1.4
Tipologie e modalità produttive ... 17
2.1.5
Connessioni ... 19
2.1.6
Resistenza a flessione del vetro ... 23
2.1.7
Comportamento post-rottura ... 27
2.2
Altri materiali ... 31
2.2.1
Acciaio ... 32
2.2.2
Alluminio ... 32
2.3
Bibliografia ... 34
2.3.1
Articoli e pubblicazioni ... 34
2.3.2
Tesi ... 34
2.3.3
Testi ... 34
2.3.4
Norme ... 34
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice Pagina iii
Capitolo III
3 Una tipologia innovativa di controvento ... 36
3.1 Il progetto di una facciata continua sismoresistente: il controvento energetico ... 36
3.2 Requisiti di progetto (CNR Vetro + EC acciaio) ... 40
3.3 Le possibili geometrie ... 41
3.3.1 Elementi triangolari ... 41
3.3.2 Analisi di buckling dei pannelli triangolari ... 42
3.3.3 Quadrati a 45° ... 43
3.4 La geometria scelta ... 46
3.4.1 Descrizione del sistema ... 46
3.5 Analisi della lastra singola ... 48
3.5.1 Descrizione del modello ... 50
3.5.2 Le analisi di stabilità ... 53
3.6 Scelta del profilo d'acciaio ... 58
3.6.1 Piattabande, contropiastre e relative connessioni ... 58
3.6.2 Sub modello piano ... 59
3.6.3 Anima ... 59
3.6.4 Piattabande e piastre di contenimento ... 60
3.6.5 Connessioni ... 60
3.7 Reticolo di acciaio ... 61
3.7.1 Modelli di calcolo semplificati ... 61
3.8 Analisi del puntone equivalente: il modello meccanico ... 66
3.8.1 Il modello del puntone equivalente ... 66
3.8.2 Stadi evolutivi ... 68
3.9 Parametri di progetto ... 69
3.10 Modelli analitici del controvento costituito da un telaio ibrido vetro-acciaio ... 70
3.10.1 Dimensionamento ... 71
3.10.2 Modelli di sole aste ... 71
3.10.3 Modelli globali con vetro ... 77
3.10.4 Rottura accidentale di una o più lastre di vetro ... 81
3.11 Bibliografia ... 84
3.11.1 Articoli e pubblicazioni ... 84
3.11.2 Tesi ... 84
3.11.3 Testi ... 84
3.11.4 Norme ... 84
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice Pagina iv
Capitolo IV
4 Il caso studio, edilizia economica e popolare nel quartiere La Rosa Livorno ... 86
4.1 Inquadramento ... 86
4.2 L'esperienza INA Casa in Italia... 89
4.3 Ricerca archivistica e documentazione progettuale disponibile ... 90
4.4 Inquadramento ambientale e contesto sociologico del quartiere ... 91
4.5 Descrizione della struttura e tipologia costruttiva;... 92
4.6 Norme tecniche di riferimento dell'epoca. ... 94
4.6.1 Sintesi: ... 99
4.7 Analisi dello stato di fatto ... 103
4.7.1 Problematiche ambientali ... 103
4.7.2 Energetiche ... 105
4.7.3 Strutturali ... 107
4.7.4 Analisi dei carichi ... 113
4.8 Azioni di progetto ... 116
4.8.1 Neve ... 116
4.8.2 Vento ... 117
4.8.3 Variazioni termiche ... 118
4.8.4 Sisma ... 118
4.9 Modellazione della struttura; ... 122
4.10 Analisi e verifiche della struttura nello stato di fatto ... 123
4.10.1 Livello di conoscenza e fattore di confidenza ... 123
4.10.2 Verifiche ... 124
4.11 Risposta dinamica della struttura ... 130
4.12 Modi propri di vibrare ... 131
4.12.1 Influenza dei tamponamenti ... 134
4.12.2 Rigidezza del solaio ... 134
4.13 Bibliografia ... 135 4.13.1 Testi ... 135 4.13.2 Tesi ... 135 4.13.3 Norme ... 135 4.13.4 Articoli e Pubblicazioni ... 135 4.13.5 Siti internet ... 135
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO ACCIAIO
Indice Pagina v
Capitolo V
1 Stato di progetto ... 137
1.1 Requisiti di progetto... 137
1.2 Proposta di miglioramento sismico: la Soluzione A ... 137
1.2.1 Descrizione dell'intervento ... 138
1.2.2 Dettagli costruttivi ... 151
1.3 Analisi globale del controvento (Verifica) ... 161
1.3.1 Analisi globale con elementi vitrei ed elementi interfaccia ... 161
1.3.2 Modello con lastre elastiche ed elementi di contatto passanti ... 162
1.4 Controvento intermedio al ripristino di rigidezza ... 163
1.5 Tipologie e sistemi fondali ... 167
1.6 Proposta di adeguamento sismico: la Soluzione B... 169
1.6.1 Descrizione dell'intervento ... 169
1.6.2 Adeguamento ai nuovi standard architettonici e miglioramento energetico ... 171
1.6.3 Soluzione architettonica ... 173
1.7 Bibliografia ... 175
1.7.1 Testi ... 175
1.7.2 Articoli ... 175
1.7.3 Tesi di Laurea ... 175
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice Pagina vi
Capitolo VI
6 Prospettive di sviluppo ... 177
6.1 Possibili applicazioni progettuali del controvento energetico ... 177
6.2 Miglioramento delle caratteristiche ... 180
6.2.1 Aperture ... 180
6.2.2 Isolamento del pacchetto ... 181
6.2.3 Riduzione di ponti termici ... 182
6.3 Le capacità dissipative del controvento energetico ... 183
6.3.1 Plasticizzazione acciaio ... 183
6.3.2 Plasticizzazione dei contrasti ... 184
6.3.3 Attrito ... 186
6.3.4 Frattura del vetro ... 186
6.3.5 Realizzazione di link dissipativi (tra edificio e struttura di controvento "a nodi fissi") ... 188
6.4 Conclusioni ... 190
6.5 Bibliografia ... 191
6.5.1 Articoli e pubblicazioni ... 191
6.5.2 Tesi ... 191
6.5.3 Testi ... 191
6.5.4 Siti internet consultati ... 191
Allegati
7 Tavole in allegato...193Ringraziamenti
8 Ringraziamenti...195ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice delle figure
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice delle figure Pagina I
Capitolo I
Figura 1 - Il Seagram Building è un grattacielo di New York City, Manhattan. ... 3
Figura 2 - La Stazione Centrale progettata nel 2006 da von Gerkan, Marg e Associati (gmp), nella
zona di Humboldthafen a Berlino. ... 3
Figura 3 - Vista aerea delle residenza studentesca Praticelli, Salvatore Re, RPA S.p.a. [6] ... 5
Figura 4 - Vista del fronte nord, Residenza studentesca Praticelli [7]. ... 5
Figura 5 - Hotel San Ranieri, Pisa [7] ... 6
Figura 6 - San Ranieri, impalcato di servizio, livello inferiore ... 6
Figura 7 - San Ranieri, collegamento della vetrata alla facciata dell'esistente fabbricato ... 6
Figura 8 - Hearst Tower, progettata da Norman Foster nel 2006, Manhattan. ... 7
Figura 9 - Murphy + Jahn, Sobeck, W., "Deutsche Post, Bonn" [3] ... 7
Figura 10 - Museo della storia di Amburgo (1989), Ing. Schlaich Schlaich Bergermann & P., ... 8
Figura 11 - Copertura della DG Bank, Berlino (1998), Ing. Schlaich Bergermann & Partners, ... 8
Figura 12 - Glas House, New Canada[15] ... 9
Figura 13 - Leonardo Glass Cube in Bad Driburg [14] ... 9
Figura 14 - Libreria Edouard Fleuret, Lausanne [14] ... 9
Figura 15 - Show house per la linea di mobili Sant'Ambrogio, Arch. Carlo Santambrogio ed Ing.
Ennio Arosio [17]. ... 10
Figura 16 - Torre del Gas Natural, Barcelona, Progettisti: Miralles Tagliabue § Bellapart
Engineering [12]. ... 10
Figura 17 - Struttura geodetica, Parc de le Villette, Paris. [18] ... 11
Figura 18 - Apple Store: la scala a chiocciola interna al cubo in vetro strutturale si sviluppa
attorno ad un ascensore in vetro di forma cilindrica, Ing. Eckersly O'Callahan, Central Park, New
York. [17] ... 11
Figura 19 - Vista dall'alto della suggestiva passerella Grand Canyon Skywalk, MRJ Architects [9]
... 12
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice delle figure Pagina II
Capitolo II
Figura 1 - Tensioni residue nel vetro temprato termicamente ... 18
Figura 2 - Tensioni residue nel vetro temprato chimicamente ... 18
Figura 3 - Particolare dei collegamenti di base della vetrata dell'Hotel San Ranieri - Pisa. ... 19
Figura 4 - Collegamento misto realizzato per la facciata in vetro della Residenza Studentesca
Praticelli - Pisa ... 19
Figura 5 - Tipi di monomeri ... 20
Figura 6 - Grande variabilità delle caratteristiche meccaniche con la temperatura, da [8]. ... 21
Figura 7 - Proprietà meccaniche dei siliconi strutturali [6] ... 22
Figura 8 - Vetro stratificato, fasi evolutive ... 28
Figura 9 - Fase 3. Tratte da: a) [Delincé et al. 2008]; b) [Belis et al. 2008] ... 30
Figura 10 - Resistenza residua di un vetro 8.8.2,29 supportato puntualmente su quattro punti ed
interamente rotto, catalogo DuPont ... 30
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice delle figure Pagina III
Capitolo III
Figura 1 - Grave danneggiamento di un pilotis dovuto ad un terremoto ... 37
Figura 2 - Museo del vetro, Rheinbach ... 38
Figura 3 - Museo dell'Arte, Toledo ... 38
Figura 4 - Carico su un singolo pannello di un padiglione in vetro: ... 38
Figura 5 - Crash test Ford Ka ... 39
Figura 6 - Discretizzazione a "nido d'ape" ... 41
Figura 7 - Pannello a triangolo isoscele, prima deformata critica ... 42
Figura 8 - Pannello a triangolo isoscele, linee isostatiche ... 42
Figura 9 - Suddivisione a quadrati a 45° ... 43
Figura 10 - Pannello quadrato, prima deformata critica, caso A... 44
Figura 11 - Pannello quadrato, prima deformata critica, caso B ... 45
Figura 12 - Geometria, possibili interassi di progetto ... 46
Figura 13 - Sistema misto ... 47
Figura 14 - Lastre compresse ... 47
Figura 15 - Vincolo delle lastre di estremo, i diagonali della cornice rigida. ... 48
Figura 16 - Schemi di carico dei pannelli ... 49
Figura 17 - Assonometria del modello della lasra vitrea ... 50
Figura 18 - Particolare del modello della lastra vitrea ... 51
Figura 19 - Prima deformata instabile ... 53
Figura 20 - Seconda deformata instabile ... 54
Figura 21 - Terza deformata instabile ... 54
Figura 22 - Quarta deformata instabile ... 54
Figura 23 - Diagramma incremento di carico, spostamento del punto di controllo. ... 55
Figura 24- Punto in cui si raggiunge la massima tensione di trazione ... 56
Figura 25 - Diagramma delle tensioni in caso di incipiente rottura ... 56
Figura 26 - Sezione tipo del "puntone equivalente" ... 58
Figura 27 - Vista del modello caricato di punta ... 59
Figura 28 - Diagramma forza-spostamento del punto di applicazione ... 59
Figura 29 - Sottostruttura isostatica ... 61
Figura 30 - Sezioni resistenti ... 62
Figura 31 - Sottostruttura iperstatica ... 63
Figura 32 - Vista del modello del "puntone equivalente" ... 66
Figura 33 - Assonometria del modello con rappresentazione a linee di livello dell'instabilità delle lastre ... 68
Figura 34 - Proiezione verticale della sezione dei profili di controvento, C7.5.5 [12] ... 70
Figura 35 - Dy, spostamenti ortogonali al piano del controvento. ... 71
Figura 36 - Fattore di carico, spostamento fuori piano dei punti di mezzeria ... 72
Figura 37 - Rapporto di snervamento ... 73
Figura 38 - Diagramma spostamento fuori piano delle aste in condizione di incipiente instabilizzazione. 74 Figura 39 - Vista del modello con in evidenza punto di controllo ... 75
Figura 40 - Diagramma fattore di carico, spostamento del punto di controllo ... 76
Figura 41 - Rapporto di snervamento dei profili ... 76
Figura 43 - Forze di compressione, espresse in kN, negli elementi di contatto in uno dei campi centrali .. 79
Figura 42 - Isostatiche di compressione ... 79
Figura 44 - Rottura accidentale di una lastra di vetro ... 81
Figura 45 - Caso di lastra danneggiata, contatto coi i risalti nodali ... 82
Figura 46 - Isostatiche di compressione ... 83
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO-ACCIAIO
Indice delle figure Pagina IV
Capitolo IV
Figura 2 - Complesso residenziale oggetto di studio, foto aerea ... 86
Figura 1 - Livorno, foto satellitare ... 86
Figura 3 - Edifici tipo A, B e C, individuazione caso studio ... 87
Figura 4 - Edificio tipo A ... 88
Figura 5 - Pianta edificio tipo B, oggetto di studio ... 88
Figura 6 - Edificio tipo C (4 piani) ... 88
Figura 7 - Vista da via de Sanctis del lato est dell'edificio ... 92
Figura 8 - Intestazione R.D... 94
Figura 9 - Parco adiacente al complesso residenziale ... 103
Figura 10 - Scivolamento della zolla radicale in caso di coesione ed attrito ridotti ... 104
Figura 11 - Degrado di una delle colonne del piano terra ... 107
Figure 12 - Immagini relative al degrado dei pilastri del piano terra ... 108
Figura 13 - Espulsione del copriferro al piede di una colonna del vano scale ... 109
Figura 15 - Intervento di incamiciatura eseguito su pilastri del piano terra di un edificio gemello. ... 110
Figure 14 - Degrado delle travi ... 110
Figura 16 - Intervento eseguito su edifici di tipo A (4 piani) ... 111
Figura 17 - Spettro SLO ... 119
Figura 18 - Spettro SLD ... 120
Figura 19 - Spettro SLV... 120
Figura 20 - Spettro SLC ... 121
Figura 21 - Assonometria del modello della struttura nello stato di fatto ... 122
Figura 22 - Linearizzazione del dominio M-N ... 127
ADEGUAMENTO DI EDIFICI RESIDENZIALI IN C.A. MEDIANTE TELAI IBRIDI VETRO ACCIAIO
Indice delle figure Pagina V
Capitolo V
Figura 1 - Soluzione A, pianta piano terra ... 138
Figura 2 - Soluzione A, pianta piano tipo ... 139
Figura 3 - Soluzione A, prospetto sud controvento energetico ... 139
Figura 4 - Soluzione A, sezione della mezzeria dell'edificio con controvento intermedio in acciaio ... 140
Figura 5 - Soluzione A, vista assonometrica del modello dell' edificio ... 141
Figura 6 - Spettro di risposta elastico ... 143
Figura 7 - Schemi di vincolo per i setti ... 144
Figura 8 - Armature: n° 8*2Φ20 (6,28)+ n°4L 120 x120/12 (21,6) ... 146
Figura 9 - Armature: n° 8Φ20 (3,1)+ n°4L 100x100/10 (15,0) ... 146
Figura 10 - Armatura dei setti in c.a. con angolari e calastrelli [6] ... 148
Figura 11 - Particolare dell'armatura di un pulvino rovescio [6] ... 148
Figura 12 - Rinforzo pilastri interni ... 149
Figura 13 - Vista del controvento di estremo con indicazione delle didascalie ... 150
Figura 14 - Dimensione di progetto dei vetri di sicurezza. ... 151
Figura 15 - Identificazione dei nodi tipo ... 152
Figura 16 - Nodo 1. solo carpenteria metallica ... 153
Figura 17 - Nodo 1, posizionamento vetri ... 154
Figura 18 - Nodo 1, fissaggio delle contropiastre di contenimento ... 154
Figura 19 - Nodo tipo 2, in vista carpenteria metallica ... 155
Figura 20 - Nodo tipo 2, posa in opera elementi in vetro ... 156
Figura 21 - Nodo tipo 2, in vista piastre esterne di contenimento ... 156
Figura 22 - Ordine di montaggio ... 158
Figura 23 - Particolare della testata del fabbricato ... 159
Figura 24 - Collegamento con eccentricità ... 160
Figura 25 - Sezioni del collegamento con eccentrità ... 160
Figura 26 - Collegamento ravvicinato al fabbricato ... 160
Figura 27 - Isostatiche di compressione ... 162
Figura 28 - Determinazione della rigidezza di piano ... 163
Figura 29 - Controvento intermedio ... 166
Figura 30 - Rinforzo delle fondazioni ... 167
Figura 31 - Sezione tipo, rinforzo delle fondazioni ... 167
Figura 32 - Pianta e prospetti della soluzione B ... 169
Figura 33 - Soluzione B, piano tipo ... 170
Figura 34 - Soluzione B, prospetti ... 171
Figura 35 - La Tour De Bois, Parigi ... 172
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