Studio di fattibilita' di una passerella pedonale con arco in vetro e trave collaborante in acciaio inox

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__________________________________________________________________________________________________________________________________________________ CORSO di LAUREA SPECIALISTICA in INGEGNERIA DELLE COSTRUZIONI CIVILI – TESI di LAUREA MAGISTRALE

Docente e Relatore: Prof. Ing. Maurizio Froli; Tutore e Relatore: Ing. Gerardo Masiello

Candidato: Massimiliano Poli Pagina I

Alla fine di questo lungo percorso di studio e formazione desidero ringraziare tutti coloro che durante gli anni di Università mi sono stati vicini ed hanno in qualche misura contribuito ad aiutarmi ad arrivare fino al traguardo di questa tesi, per me di enorme significato.

Prima di tutti, la mia Famiglia e i Nonni, per l'appoggio totale ed economico, per l'incoraggiamento costante che mi ha sovente stimolato e fornito energia e linfa per studiare.

Ringrazio tutti gli amici e compagni di studi di questi anni (Luca, Daniele, Lorenzo, Alberto, Graziano, Domenico, Francesco, Francesca, Barbara), con i quali ho trascorso momenti indimenticabili di vita universitaria, di incessante ed appassionante studio e collaborazione durante la preparazione degli esami, che mi hanno fatto sentire il loro affetto nei momenti più difficili. In particolare Francesco Stefanini, grande amico e confidente; indimenticabili sono stati i momenti in cui preparavamo gli esami di Tecnica delle Costruzioni I e II, Teoria delle Strutture e Costruzioni in Zona Sismica. Poi anche Dario Pagni; con lui ho condiviso la preparazione di esami importanti come Diagnostica e Consolidamento, Costruzioni Idrauliche e Teoria e Progetto di Ponti.

Ringrazio poi tutti i miei professori che ho conosciuto in questi anni di studio, i quali sono stati fondamentali per la mia formazione professionale e scientifica, dei veri insegnanti: … Prof. Cafarella, Prof. Gucci, Prof. Caramelli …. In particolare ringrazio i miei Relatori, il Prof. Maurizio Froli e l’Ing. Gerardo Masiello, per la loro incredibile competenza e la formidabile cordialità nei momenti di studio e di confronto che abbiamo avuto durante tutto il processo di ricerca e sviluppo di questa tesi. Li ringrazio ulteriormente per essere stati ottimi maestri nell’avermi trasmesso l'interesse, la passione, la curiosità scientifica e lo spirito di ricerca, studio ed analisi proprio nel campo che più amo e per una materia così complessa ed affascinante quale è la Tecnica delle Costruzioni e lo studio dei Ponti.

Infine, un riconoscimento speciale ed affettuoso va a Paola Batori, per il suo insostituibile ed instancabile appoggio morale ed emotivo, soprattutto durante tutto questo ultimo periodo in cui mi sono letteralmente immerso nello studio, dando poca relazione col mondo esterno. La ringrazio perché è riuscita a starmi vicino e a darmi un grande sostegno standomi semplicemente ad ascoltare durante le riletture e le riflessioni che, quotidianamente hanno accompagnato questo lavoro.

Ai miei due nonni Giovanni ed Emilia

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UNIVERSITÀ di PISA Studio di fattibilità di una Passerella Pedonale con Arco in Vetro

FACOLTÀ di INGEGNERIA e Trave Collaborante in Acciaio Inox - Prefazione

Candidato: Massimiliano Poli Pagina II

La presente Relazione è parte integrante di un Percorso di Studio e di Analisi svolto per il Conseguimento della Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Costruzioni Civili. Il Caso di Studio fa riferimento all’utilizzo del “Vetro Strutturale” come eccellente materiale impiegato in membrature portanti di Opere d’Arte di primo ordine come i Ponti e le Passerelle Pedonali. L’elaborato, necessariamente conciso, riporta tutti i passaggi salienti di studio, di documentazione, le scelte rilevati in termini di analisi del Vetro e lo sviluppo di un esempio propositivo di una Passerella Pedonale ad Arco.

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina III

Prefazione alla Tesi

Lo scopo dominante che ha questa Tesi è quello di continuare a generare idee e proposte in materia di sostenibilità delle applicazioni strutturali in vetro, soprattutto del vetro quale eccellente materiale da costruzione impiegato come membratura essenziale per la staticità di complessi costruttivi di un certo rilievo, come nel mio caso, lo sviluppo di un Ponte Pedonale.

Passi da gigante sono stati compiuti soprattutto in questi ultimi anni, anche in Italia, grazie ai successi ottenuti nel programma di ricerca partito nel 2005 e sostenuto dal MIUR come Programma di ricerca di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN). Convegni e Seminari sul tema hanno fatto crescere in me la consapevolezza dell’assoluta fondatezza della possibilità di costruire con il vetro, rivalutando del tutto le idee “visionarie” dei grandi artisti ispiratori come Mies Van Der Rohe. Il forte contributo tecnico dato da questo progetto di ricerca è stato anche sostenuto dalle più importanti industrie vetrarie, che fiutando la possibilità di espansione commerciale hanno anch’esse fornito piattaforme e materiale di prova per la ricerca scientifica.

Quindi, al momento della ricerca di argomentazioni interessanti da poter sviluppare in termini di elaborato di tesi, il tema del vetro è stato sicuramente quello che mi ha colpito ed avvolto interamente del suo fascino.

Assieme al Prof. Ing. M. Froli, che è stato coordinatore del suddetto PRIN, abbiamo elaborato alcune ipotesi plausibili di strutture da potersi svolgere in vetro. Tra facciate in vetro e coperture, teche espositive, di cui esistono già molte proposte ed esempi realizzativi, ha spiccato indubbiamente la proposta di ideare una passerella pedonale con vetro quale membratura portante dell’opera.

Partendo direttamente da alcuni bandi di concorso degli anni precedenti, sparsi in tutta Italia, ci siamo figurati alcune possibili ambiantazioni e possibili discontinuità territoriali o artificiali nei quali poter collocare un’opera del genere. Una passerella in vetro strutturale, sicuramente riveste un ruolo da protagonista, accentratore degli occhi e degli sguardi di persone tecnicamente competenti ma anche di semplici passanti secondo cui continua ad essere diffusa l’oramai pregiudizievole asserzione del "troppo fragile" per assumere funzioni portanti.

A tal proposito la decisione finale è stata di ipotizzare, in via figurativa, la collocazione di una “costruzione trasparente” all’interno di un grande parco pubblico, immerso in una gradevole vegetazione ed in prossimità di un modesto corso fluviale.

Lo studio preliminare dell’architettura e della filosofia progettuale del vetro è stato sicuramente di grande interesse e curiosità in quando ha fornito spunti di riflessione e discussione per lo sviluppo dello schema statico del ponte pedonale. La scelta è stata quella di progettare una passerella ad arco a via superiore (schema di ponte ad arco combinato del tipo “arco ribassato – arco funicolare”), volendo assolutamente far concepire al pedone che attraversa il ponte il senso di robustezza e rigidezza che offre un sistema

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina IV

strutturale del genere anche se fatto con vetro nelle membrature essenziali quali l’arco principale e i pilastrini di sostegno dell’impalcato.

Del resto la scelta del ponte ad arco è stata la migliore, poiché il vetro è stato fatto lavorare secondo la propria sollecitazione preferenziale, ossia la compressione. L’idea innovativa, rispetto ad altre proposte è stata quella di creare l’arco con membrature monodimensionali a trave e non come enorme solido pluristrato e voluminoso o con sistemi piani i quali avrebbero fornito assolutamente maggiore stabilità e sicurezza laterale dell’arco, ma sarebbero risultativi difficile realizzazione tecnica.

Sicuramente leggera, la passerella pedonale presenta un arco composto da conci di vetro multistrato con PVB come materiale di interlayer (lastre vitree temperate termicamente). I laminati vitrei (di lunghezza 3800 mm) sono stati accoppiati alle estremità ed ai terzi della luce con efficaci dispositivi di calastrellatura. I puntoni di sostegno dell’impalcato sono stati progettati sempre in vetro ma non hanno necessitato di irrobustimenti se non di armature in cavi metallici per conferire ottima rigidezza flessionale nel piano di minima inerzia negli scenari di forte carico eccentrico. L’impalcato è stato concepito come un sistema di quattro correnti tubolari circolari in acciaio inossidabile duplex, e traversi di irrigidimento anch’essi dello stesso materiale. La pavimentazione, invece, è stata pensata in lastre di vetro multistrato proprio per consentire al pedone di osservare il complesso meccanismo resistente fatto da vetro e cavi metallici di irrigidimento.

Elaborando membrature portanti dell’arco con un materiale che è fragile e che di conseguenza non offre nessuna riserva duttile, è stato di prim’ordine procedere nella concezione progettuale di un’opera d’arte come un ponte con principi tipici di altre discipline, ovvero i due principi di gerarchia e ridondanza stabilendo più “linee difensive” contro il rischio del collasso totale. Questo processo di razionalizzazione può essere chiamato FAIL-SAFE, che è ben differente dal classico SAFE-LIFE.

Pertanto, la passerella pedonale è stata progettata volutamente non soltanto ipotizzando la completa integrità dei suoi elementi strutturali, specie per quelli più sensibili e in vetro, ma ipotizzando ben dieci scenari di possibile collasso di una membratura portante per svariati motivi, dall’atto vandalico, al difetto nel processo di produzione e lavorazione del singolo vetro e del complessivo multistrato.

In tale ottica è stato preferito il multistrato al monostrato di vetro, il quale offre in se ridondanza strutturale, poiché in caso di rottura di una sola delle lastre vitree del laminato le altre componenti assorbono l’incremento di lavoro. Continuando nell’ottica gerarchica i puntoni di vetro dell’arco sono calastrellati, quindi in caso di rottura di un intero laminato l’altro rimane disponibile. Lo studio progettuale in quest’ottica è andato ben oltre, ipotizzando la venuta meno di una intera membratura dell’arco (assenza di un concio-puntone) dell’arco.

Una situazione simile viene presa difficilmente in esame nelle consuete progettazioni di strutture ad arco. Grazie alla leggerezza dell’opera è stato sufficiente accoppiare alla struttura dell’arco e dell’impalcato una serie di tirantature di sicurezza in cavi metallici che hanno contribuito a rendere estremamente rigida la struttura.

Scenari in cui viene meno un concio dell’arco hanno fatto mutare radicalmente lo schema statico, che è passato da classico ponte ad arco-funicolare a struttura assai più complessa nel funzionamento chiamando in causa meccanismi tipo puntone-tirante con

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina VI

Sommario

Prefazione

Introduzione alla Tesi 1

Capitolo 1

Il Vetro, materiale antichissimo ma moderno negli impieghi strutturali 3

Il Vetro nella storia 3

Il Vetro e l’acciaio 7

Il Sogno delle strutture di vetro 9

Il “Vetro Strutturale”, il sogno si fa realtà 14

Facciate in Vetro 15

Coperture in Vetro e Acciaio 18

Travi, Colonne e membrature in Vetro 20

Capitolo 2

Costruire con il Vetro 26

La pasta vitrea 26

Vetro per impiego strutturale 27

Miglioramento della prestazione del Vetro float 28

Tempera Termica 29

Vetro Indurito 29

Vetro trattato con Tempra Chimica 30

Vetro Stratificato di Sicurezza 30

Vetro Armato 31

Comportamento del Vetro in presenza di difetti 32

Fenomeno di fatica statica e velocità di propagazione delle fessure 36

Resistenza Meccanica del Vetro 37

Sicurezza e Dimensionamento di un sistema in Vetro 38

Approccio alle Verifiche di Resistenza 39

Aspetti normativi 40

Filosofia di Progettazione “Fail-Safe” 42

Capitolo 3

Attraversamenti Pedonali in Vetro 44

Passerella Pedonale a Rotterdam 44

Passerella Pedonale Schwäbisch Hall 45

GlassTex Bridge Prototype 47

The Solar-Bridge Prototype 49

The Luminouse Glass Bridge 50

Passerella pedonale ad Arco Maillart 51

Proposta di Passerella Pedonale ad arco in Vetro a Venezia 53

Ponte di vetro ad Arco Strallato 57

Concezione Strutturale della Passerella Pedonale 62 Passerella Pedonale a schema Maillart con sottostruttura in Vetro 70

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina VII

Capitolo 4

Le Aste di Vetro 77

Stabilità dell’equilibrio dell’asta vitrea caricata di punta 78

Il Vetro Stratificato impiegato a compressione assiale 84

Struttura del vetro stratificato e funzionamento meccanico 84 Modellazione del comportamento meccanico del vetro stratificato 87

Modello a “spessori equivalenti” 88

Modello ad elementi “laminated” 90

Modello a Elementi “solidi” e “interfaccia” 91

Metodi analitici 92

Metodi semiempirici (“theory of sandwich panels”) 97

Scenari di miglioramento a carico critico di un'asta in vetro stratificato 104

Ricerca della Geometria limite della Passerella 110

La curva delle pressioni di un arco 110

Costruzione della geometria dell’arco mediate la curva della successive pressioni discretizzate 111 Analisi locali per predimensionamento di alcune componenti della passerella 114

Capitolo 5

Modellazione della Struttura 123

Software Utilizzati per la Modellazione numerica 124

Definizione della Geometria Strutturale e Rappresentativa del Modello 124

Normative di Riferimento 129

Analisi dei Carichi 131

Sicurezza Strutturale e Combinazione dei Carichi 143

Combinazione agli Stati Limite Ultimi 144

Combinazione agli Stati Limite di Esercizio 145

Combinazione agli Stati Limite per Situazioni Eccezionali 145

Metodo di Analisi Adottato 146

Analisi Dinamica Modale con Spettro di Progetto 147

Capitolo 6

Verifica dello Stato Deformativo e Tensionale delle componenti della Passerella

Pedonale 149

Software Utilizzati per il Dimensionamento, Disegno e Relazione Tecnica del Ponte 149 L’Acciaio Inox impiegato per le componenti metalliche della Passerella Pedonale 149 Prescrizioni e raccomandazioni seguite per la progettazione di collegamenti in Acciaio Inox

della Passerella Pedonale 152

Premessa alle Verifiche agli Stati Limite Ultimi (SLU) (Carpenteria Metallica) 153

Verifica dello Scenario di Esercizio della Passerella Pedonale 158

Stato Deformativo dello Scenario 1 158

Stato Tensionale dello Scenario 1 160

Comportamento sotto Azione Sismica dello Scenario 1 164

Verifica degli Scenari di Emergenza della Passerella Pedonale 168

Studio del comportamento della Passerella Pedonale in Scenari di Crisi 168 Stato Deformativo degli Scenari di Crisi della Struttura per mancanza di componenti portanti in

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina VIII

Stato Tensionale degli Scenari di Crisi della Struttura per mancanza di componenti portanti in

Vetro 181 Scenario 2 181 Scenario 3 183 Scenario 4 185 Scenario 5 187 Scenario 6 189 Scenario 7 191 Scenario 8 193 Scenario 9 194 Scenario 10 196 Scenario 11 197

Capitolo 7

Verifica dei Collegamenti tra le componenti della Passerella Pedonale 202

Premessa alle Verifiche delle Unioni di elementi Strutturali (SLU) (Carpenteria Metallica) 202 Collegamento Tipo 1 – Asta Calastrellata del Puntone dell’Arco 208 Collegamento Tipo 2 – Puntoni di Sostengo dell’Impalcato 213 Collegamento Tipo 3-4-5 – Traverso Intermedi, di Scarico, di Mezzeria 217 Collegamento Tipo 6 – Connessione Flangiata dei Correnti dell’Impalcato 225 Collegamento Tipo 7 – Articolazione tra Puntoni Calastrellati Consecutivi, Puntoni di Sostegno

dell’Impalcato e Tiranti di Irrigidimento 230

Collegamento Tipo 8 – Scarico a Terra dell’Arco 233

Collegamento Tipo 9 – Scarico a Terra dell’Impalcato 237

Fasi di Montaggio della Struttura e problematiche di Trasporto 242

Conclusioni e Sviluppi Futuri 246

Bibliografia 249 Allegati: Tavole Tecniche Progettuali ed Immagini Rendering

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Candidato: Massimiliano Poli Pagina IX

Un’opera tecnicamente perfetta può a volte risultare esteticamente inespressiva, ma non è mai esistita, né ora né in passato, un’opera di architettura riconosciuta eccellente dal punto di vista estetico che non fosse eccellente anche dal punto di vista tecnico. Una buona ingegneria sembra essere condizione necessaria – benché non sufficiente – per una buona architettura.

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Autore: massimiliano poli

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Data creazione: 26/08/2009 21.29.00 Numero revisione: 75

Data ultimo salvataggio: 24/09/2009 17.04.00 Autore ultimo salvataggio: massimiliano poli Tempo totale modifica 285 minuti Data ultima stampa: 24/09/2009 18.42.00 Come da ultima stampa completa

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