Ai miei genitori, ai miei fratelli.
Sommario
Il presente lavoro di tesi ha come oggetto lo sviluppo e la progettazione di una trave presollecitata della lunghezza di 12 metri in sistema misto vetro-acciaio. La trave, la cui tipologia è stata definita TVT (Trave Vitrea Tensegrity), soddisfa i requisiti richiesti ad un elemento strutturale in vetro di grandi dimensioni: elevata trasparenza, modularità, progettazione fail-safe e duttilità.
La trave è formata dall’unione di elementi in vetro aventi forma triangolare e rettangolare presollecitati mediante un sistema di barre in acciaio che realizzano una trave precompressa in cui il vetro lavora a compressione e l’acciaio a trazione.
In termini di sicurezza la trave soddisfa i due principi alla base della progettazione fail – safe, la gerarchia e la ridondanza strutturale.
La gerarchia strutturale è ottenuta progettando gli elementi in vetro e in acciaio in modo che lo snervamento dell’acciaio preceda sempre la rottura del vetro al fine di garantire il comportamento duttile della trave.
La ridondanza strutturale è ottenuta utilizzando pannelli di vetro stratificati, composti da due lastre di vetro indurito termicamente con interposto interlayer plastico che assicurano in caso di rottura del vetro una buona capacità portante post-critica.
L’analisi del comportamento meccanico e le verifiche della trave e dei suoi componenti sono state effettuate con un codice di calcolo agli Elementi Finiti di comprovata validità.
Indice i
Indice
Introduzione ... 5 Capitolo 1 ... 7 Il vetro in architettura ... 71.1 Breve storia del vetro ... 7
1.2 Il vetro nell’architettura del XVIII e del XIX secolo ... 10
1.2.1 Cupole ... 10
1.2.2 Grandi magazzini ... 11
1.2.3 Gallerie ... 12
1.2.4 Stazioni ... 13
1.2.5 Serre ... 15
1.3 Il vetro nell’architettura del XX e del XXI secolo ... 18
1.3.1 Facciate continue ... 18
1.3.2 Coperture ... 25
1.3.3 Pareti, pilastri e travi ... 29
1.3.3.1 Pareti e pilastri ... 29
1.3.3.2 Travi... 31
Capitolo 2 ... 39
Caratteristiche e proprietà del vetro ... 39
2.1 Processi di produzione del vetro ... 39
2.1.1 Vetro float ... 40
2.1.2 Vetro colato ... 41
2.1.3 Vetro tirato ... 42
2.2 Composizione, proprietà chimiche e proprietà fisiche del vetro ... 44
2.2.1 Composizione e proprietà chimiche ... 44
2.2.2 Proprietà fisiche ... 49
2.3 Comportamento meccanico del vetro: meccanica della frattura e resistenza del vetro ... 50
2.3.1 Resistenza teorica ... 51
2.3.2 Meccanica della frattura ... 53
2.4 Tempera termica, tempera chimica e vetro stratificato ... 58
2.4.1 Tempera termica ... 59
2.4.1.1 Vetro Temperato (FTG – fully tempered glass) ... 59
2.4.1.2 Vetro indurito termicamente (HSG – heat strengthened glass) ... 61
2.4.2 Tempera chimica ... 62
2.4.3 Vetro stratificato ... 62
Capitolo 3 ... 65
Descrizione, caratteristiche e comportamento meccanico delle travi TVT 65 3.1 I primi prototipi: TVTα e TVTβ ... 65 3.1.1 Il prototipo TVTα... 66 3.1.2 Il prototipo TVTβ... 67 3.2 Il prototipo TVTγ ... 68 3.2.1 Descrizione generale ... 68 3.2.2 I pannelli in vetro ... 69 3.2.3 La carpenteria metallica ... 71 3.2.1.1 I nodi ... 71
3.2.1.2 Il collegamento nodo – pannello rettangolare ... 84
3.2.1.3 Il collegamento nodo – nodo ... 86
3.2.1.4 Il collegamento pannello rettangolare – pannello triangolare ... 88
3.2.1.5 Le barre ... 89
3.3 Comportamento meccanico ... 90
3.3.1 Gerarchia e ridondanza strutturale ... 90
3.3.2 Presollecitazione e rigidezza della trave ... 91
3.3.3 Comportamento meccanico della trave ... 94
3.3.1.1 Fase “0” o “di precompressione del vetro” ... 94
3.3.1.2 Fase “1” o “di esercizio” ... 95
3.3.1.3 Fase “2” o “di collasso” ... 96
Capitolo 4 ... 99
Proprietà dei materiali impiegati ... 99
4.1 Introduzione ... 99
4.2 Acciaio ... 99
4.3 Alluminio ... 102
Indice iii 4.5 Materiale siliconico: PVB ... 105 Capitolo 5 ... 107 Predimensionamento ... 107 5.1 Introduzione ... 107
5.2 Vincoli iniziali di progetto ... 107
5.3 Modello semplificato a trave Warren ... 108
5.4 Predimensionamento dei pannelli in vetro ... 116
5.4.1 Descrizione del modello agli Elementi Finiti ... 118
5.4.2 Condizioni di vincolo e di carico ... 127
5.4.3 Analisi e risultati ... 128
5.4.3.1 Capacità portante dei pannelli rettangolari ... 133
5.4.3.2 Capacità portante dei pannelli triangolari ... 135
5.5 Influenza della temperatura e del tempo di applicazione del carico sulla resistenza dei pannelli in vetro ... 137
5.5.1 Capacità portante dei pannelli rettangolari ... 142
5.5.2 Capacità portante dei pannelli triangolari ... 144
5.6 Conclusione ... 146
Capitolo 6 ... 147
Modellazione agli Elementi Finiti ... 147
6.1 Introduzione ... 147
6.2 Il codice di calcolo ... 147
6.3 Modelli numerici agli Elementi Finiti ... 147
6.3.1 Modello TVTγ-1a: descrizione ... 149
6.3.2 Modello TVTγ-1b: descrizione ... 171
6.3.3 Modello TVTγ-1b: descrizione ... 174
6.3.4 Modello TVTγ-2b: descrizione ... 177
Capitolo 7 ... 181
Analisi dei carichi ... 181
7.1 Condizioni di carico elementari ... 181
7.2 Combinazioni delle condizioni di carico elementari ... 182
7.3 Introduzione delle combinazioni di carico nel codice di calcolo . 183 7.4 Combinazione di carico – Comb1 ... 184
7.5 Combinazione di carico – Comb2 ... 187
Capitolo 8 ... 193
Risultati delle analisi e verifiche ... 193
8.1 Introduzione ... 193
8.2 Modello TVTγ-1a: risultati ... 194
8.2.1 Fase “0” o “di precompressione del vetro” ... 195
8.2.2 Fase “1” o “di esercizio” ... 200
8.2.3 Fase “2” o “di collasso” ... 212
8.3 Modello TVTγ-1b: risultati ... 221
8.3.1 Fase “0” o “di precompressione del vetro” ... 222
8.3.2 Fase “1” o “di esercizio” ... 224
8.3.3 Fase “2” o “di collasso” ... 229
8.4 Modello TVTγ-2a: risultati ... 229
8.4.1 Fase “0” o “di precompressione del vetro” ... 231
8.4.2 Fase “1” o “di esercizio” ... 233
8.4.3 Fase “2” o “di collasso ... 246
8.5 Modello TVTγ-2b: risultati ... 254
8.6 Confronto dei risultati ottenuti dai quattro modelli ... 264
8.7 Dimensionamento e verifica del collegamento di estremità della trave ... 266
Capitolo 9 ... 271
Assemblaggio ... 271
9.1 Descrizione delle fasi di assemblaggio ... 271
9.1.1 Fase “1”: assemblaggio del primo piano vetrato laterale ... 273
9.1.2 Fase “2”: introduzione dei pannelli rettangolari in vetro... 278
9.1.3 Fase “3”: posizionamento del secondo piano vetrato laterale ... ... 283
9.1.4 Fase “4”: presollecitazione ... 287
9.1.5 Fase “5”: rotazione della trave e messa in opera ... 290
Capitolo 10 ... 291
Conclusioni ... 291
Introduzione
5
Introduzione
Il crescente desiderio di smaterializzazione e di trasparenza dell’involucro edilizio ha portato alla fine del XX secolo alla realizzazione dei primi pioneristici elementi portanti in vetro, opera di singoli progettisti a cui va il merito di aver sdoganato la convinzione diffusa che la fragilità intrinseca del vetro ne impedisca il suo impiego nella realizzazione di travi, pilastri e pareti.
In questo contesto si inserisce il lavoro di tesi qui presentato che si pone come obiettivo la progettazione e la realizzazione di una trave in vetro di grandi dimensioni in grado di soddisfare i requisiti di resistenza, sicurezza e duttilità.
La trave, chiamata TVTγ, appartiene alla tipologia delle travi in sistema misto vetro-acciaio ad armatura attiva definite TVT (Travi Vitree Tensegrity), la cui tecnologia è stata ideata e brevettata per l’Università di Pisa dal Prof. Maurizio Froli.
La trave ha luce di 12m ed è ottenuta dall’unione di elementi in vetro standardizzati di forma rettangolare e triangolare, tenuti insieme e precompressi da un sistema di tiranti in barre d’acciaio; il vetro assorbe gli sforzi di compressione, l’acciaio quelli di trazione e la crisi della struttura avviene in modo duttile per snervamento dell’acciaio.
Il corpo della tesi è strutturato in dieci capitoli, ognuno dei quali tratta i seguenti argomenti:
Capitolo 1: Breve storia del vetro e del suo utilizzo nell’architettura sino ai giorni nostri con descrizione sintetica delle più significative opere realizzate.
Capitolo 2: Descrizione dei processi di produzione del vetro, delle diverse tipologie, delle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche con particolare attenzione alla meccanica della frattura.
Capitolo 3: Breve descrizione dei prototipi TVTα e TVTβ; descrizione dettagliata della trave (TVTγ), dei suoi componenti e del suo comportamento meccanico.
Capitolo 4: Caratteristiche meccaniche dei materiali impiegati.
Capitolo 5: Predimensionamento: ipotesi, modelli numerici realizzati e risultati ottenuti.
Capitolo 6: Descrizione dettagliata dei modelli agli Elementi Finiti realizzati per valutare il comportamento globale della trave.
Capitolo 7: Azioni e combinazioni di carico considerate; implementazione delle combinazioni di carico nel codice di calcolo e tipo di analisi numeriche effettuate.
Capitolo 8: Illustrazione dei risultati delle analisi numeriche svolte e delle verifiche effettuate.
Capitolo 9: Descrizione dettagliata delle modalità e delle fasi di assemblaggio della trave.
Capitolo 10: Conclusioni.
Completano la tesi gli elaborati grafici della carpenteria metallica e delle parti in vetro, che accompagnano in forma di allegato il presente testo.