Progettazione sismica di strutture “frameless” in vetro: un caso applicativo

Il vetro è spesso usato nelle costruzioni, sia per nuove realizzazioni che in edifici esistenti. Da un lato, ciò evidenzia l’elevato impatto estetico e versatilità del materiale. Al tempo stesso, il materiale in sé costituisce un aspetto critico nella progettazione strutturale. Questo è il caso delle zone ad alta sismicità, così come delle strutture in vetro “frameless”, in cui le componenti metalliche di controvento e supporto sono ridotte al minimo. In questo articolo, si presenta un caso studio di recente realizzazione, dando evidenza delle prescrizioni normative e degli aspetti di progettazione sismica del vetro strutturale.

Il materiale vetro e la sua progettazione strutturale 

Il materiale vetro trova impiego sempre più marcato nelle nuove realizzazioni strutturali, sia che si tratti di edifici di nuova costruzione, o di intervento in edifici esistenti [1, 2].

Tra le varie soluzioni, questo può prendere forma di facciate [3], anche di tipo “adattivo” di nuova generazione [4], o elementi portanti di varia tipologia (travi, pinne, colonne, ecc.), così come vere e proprie pareti di taglio che si prevede possano contribuire alla ridistribuzione delle azioni [5, 6]. Date le caratteristiche meccaniche del materiale vetro di base (e delle componenti ad esso collegate), la progettazione strutturale deve seguire specifici criteri e prescrizioni volte a garantire adeguata robustezza, ridondanza, duttilità, durabilità e sicurezza, sia in presenza di carichi ordinari che specialmente in condizioni sismiche [7-14]. Spesso, può essere necessario ricorrere a giunti e dispositivi speciali per conferire adeguate prestazioni ad elementi tipicamente fragili [15-18].

Da un punto di vista prettamente progettuale, nell’ambito della filosofia di progettazione agli Stati Limite [19, 20], è infatti noto come una data struttura (o elemento) debba soddisfare determinate prestazioni in condizioni operative, tipicamente associate a:

• Una limitata probabilità di collasso allo Stato Limite Ultimo (SLU), e
• Un’adeguata capacità di assecondare le deformazioni richieste dai carichi di progetto, allo Stato Limite di Servizio (SLS)

Di conseguenza, la tipica richiesta di robustezza, ridondanza, duttilità per strutture generalmente fragili è particolarmente accentuata nel caso delle azioni sismiche [21, 22].

Nonostante ciò, le vigenti normative per la progettazione di strutture in zona sismica risulta ad oggi ancora poco attenta ad un materiale costruttivo tanto innovativo quanto diffuso in edilizia. Spesso, le raccomandazioni per le verifiche di elementi strutturali in vetro sono assenti o generiche. Questo è anche il caso dell’Eurocodice 8 [19], dove si richiede che per tutte le componenti “non strutturali” (tra cui parapetti, facciate, partizioni, ecc.), e relativi sistemi di supporto, la verifica sismica debba comunque essere soddisfatta, e che si provveda altresì a garantire un’adeguata capacità di deformazione, al fine di assecondare le deformazioni della struttura primaria di destinazione. Al tempo stesso, si richiede che per tutti quegli “elementi non strutturali ma con ruolo strategico” nell’edificio di destinazione, l’analisi sismica venga sviluppata sulla base di “adeguati modelli di calcolo”. Tali raccomandazioni, tuttavia, spesso si traducono nell’impiego di modelli di calcolo e/o dati di input che possono essere particolarmente onerosi, specialmente nel caso di strutture in vetro soggette ad azione sismica. Resta continua la ricerca di strumenti di progetto fail-safe per elementi / strutture di vetro in generiche condizioni di carico e/o vincolo [23, 24].

IN QUESTO ARTICOLO
si presenta un caso studio di recente realizzazione in Italia, che vede protagonista il vetro strutturale nella realizzazione di una bussola di tipo “frameless” a protezione di un loggiato in un edificio storico strategico, ubicato a Trieste. L’approccio di progettazione, in particolare, segue le raccomandazioni del documento tecnico CNR-DT 210/2013 [25] dedicato alla verifica e progettazione di elementi strutturali di vetro. Pur non trattandosi di un documento prescrittivo, il testo CNR-DT 210/2013 rappresenta un valido supporto per i progettisti del vetro, e chiarisce alcuni concetti che gli stessi Eurocode 8 [19] o NTC2018 [20] o avevano lasciato ancora privi di soluzione. Lo stesso testo CNR è riconosciuto, a livello Europeo, tra i documenti che stanno contribuendo alla stesura di quello che sarà prossimamente il nuovo Eurocodice dedicato al vetro strutturale. Per una trattazione più accurata dell’argomento e caso studio presentato in questo documento, si rimanda tuttavia a testi di letteratura [26, 27].

Il caso studio di una bussola di tipo “frameless” a protezione di un loggiato 

Descrizione generale della struttura

Il sistema strutturale oggetto di indagine consiste in una bussola in vetro, composta da lastre in vetro stratificato e una serie di connettori metallici puntuali di varia tipologia. La bussola è stata progettata nel corso del 2018, per essere installata in un edificio esistente a Trieste, con l’obiettivo di proteggere una loggia esistente – e relativo accesso – dalle intemperie (si veda Figura 1). L’edificio di destinazione della bussola, in particolare, ha caratteristiche tali da richiedere un’analisi di dettaglio della risposta sismica delle nuove pareti vetrate. Tuttavia, si tratta di elementi in vetro che non incidono sulla rigidezza e resistenza della struttura primaria. 

Vincoli progettuali

Il palazzo del Ferdinandeo in esame rappresenta uno degli edifici storici di maggior prestigio di Trieste. Eretto nel 1858 in onore dell’Imperatore Ferdinando I di Asburgo, dal 1999 ospita la MIB – School of Management. Dal punto di vista dell’intervento di nuova realizzazione, si tratta quindi di un palazzo che è soggetto alla supervisione da parte della Sovrintendenza MIBAC. Il progetto della balaustra è quindi stato fortemente condizionato dalla necessità di garantire l’adeguata prestazione strutturale per un sistema vetrato che doveva necessariamente essere reversibile e minimamente impattante sull’edificio di destinazione. Da qui, la scelta dei progettisti di preferire connessioni di tipo meccanico puntuale e / o ad attrito, a sostituire intelaiature tradizionali di maggiore impatto visivo.

Dal punto di vista prettamente strutturale, la bussola è inoltre stata progettata e verificata in riferimento ai vincoli progettuali dettati dall’edificio di destinazione. Il Ferdinandeo (MIB) viene infatti riconosciuto come edificio storico con Classe di Importanza III, con V_N= 50 anni la vita nominale [20]. Il varco in oggetto inoltre offre accesso ad una zona del Palazzo che è adibita ad uffici (CAT. B1 di destinazione, in accordo con le vigenti NTC2018). Al tempo stesso, l’accesso interessato dall’installazione della bussola in vetro è riconosciuta come uscita di emergenza per l’edificio, dovendo pertanto garantire la verifica statica in condizioni operative per un’eventuale carico da folla. Questo è il caso della bussola in esame, avendo funzione di via di fuga (q_k= 2kN/m²). Altre azioni di progetto significative per la bussola sono infine rappresentate dal vento, che nella zona di Trieste e Provincia è caratterizzata da una velocità di riferimento al livello del mare pari a 30m/s (con q_k= 1kN/m² il valore caratteristico corrispondente).

Figura 1 – Progettazione della bussola in vetro: (a)-(b) inquadramento generale dell’intervento e sezione in pianta (disegno da Arch. A. Danelutti) e (c)-(d) realizzazione finale (foto da Arch. A. Danelutti e Seretti Vetroarchitetture).

Scelte progettuali

Nella Figura 2, si propone una vista d’insieme del sistema strutturale, con evidenza della posizione e tipologia dei vincoli meccanici in uso. La bussola prevede nel complesso la realizzazione di cinque pareti vetrate, diversificate per dimensioni globali, e tipologia / numero di vincoli. La larghezza nominale delle lastre è compresa tra 1.68m e 2.65m, mentre l’altezza complessiva (che viene raggiunta mediante due lastre sovrapposte) è nell’ordine dei 4.3m – 4.65m. La struttura include poi due porte, per raggiungere un totale di circa 50 metri quadri di superfici vetrate.

La scelta finale della fase progettuale e i dati di riferimento precedentemente esposti è ricaduta sull’impiego di lastre in vetro stratificato aventi sezione nominale riportata in Figura 3. Il sistema stratificato è caratterizzato dalla presenza di due lastre in vetro temprato [25, 28], 6mm in spessore, e 1.52mm di PVB®.

Figura 2 – Assonometria della bussola in vetro: (a) assonometria di insieme (disegno da Arch. A. Danelutti) e (b) sezione nominale. Legenda: 1- lastre in vetro stratificato, 2- collegamento in fondazione; 3-4- giunti d’angolo ad attrito; 5- fissaggi puntuali a muro; 6-7-8- accessori di fissaggio per le porte.

Figura 3 – Sezione nominale delle lastre stratificate.

A parità di sezione resistente, le differenze maggiori sono pertanto dettate dalle dimensioni di insieme delle varie lastre, e dall’eventuale presenza di fori. L’aspetto comune tra tutte è rappresentato dal vincolo di base delle lastre inferiori. Questo è stato realizzato in accordo con la sezione riportata in Figura 4, sotto forma di incastro lineare che potesse garantire un adeguato ritegno alla base inferiore del sistema.

Per ridurre l’impatto sulla struttura oggetto di intervento, i dispositivi di base prevedono una serie di guide per l’alloggiamento delle lastre vetrate, e l’uso di tasselli tipo HILTI [29] per il fissaggio in fondazione. Trattandosi di un intervento in un edificio storico, una particolare cura è stata dedicata alla realizzazione di tali dispositivi di vincolo, dovendo garantire una profondità di posa di 40mm per tutte le lastre, e al contempo rispettare le irregolarità del sottofondo di fondazione.

Figura 4 – Collegamento in fondazione: (a) sezione trasversale (dimensioni in mm) e (b) esempio di posa in opera (foto da Arch. A. Danelutti).

A parità di vincolo di base, le maggiori variazioni si osservano in elevazione, dove vengono impiegati diversi connettori in acciaio AISI 304 e AISI 316 [30]. Anche in tal caso, le lievi irregolarità strutturali dell’edificio esistente, nonché lo spessore finale delle lastre in uso, ha richiesto la realizzazione ad hoc di alcuni dei connettori in uso. Questo è il caso dei dispositivi di fissaggio delle lastre con la loggia esistente, dove i connettori sono stati realizzati su misura, in accordo con gli accessori DP-44-100 di METALGLAS® [31], si veda Figura 5). Il giunto finale include un perno M12 e una sezione cilindrica piena, di diametro pari a 45mm e lunghezza variabile (fino a 180mm) per assecondare la struttura esistente. Lato vetro, questi dispositivi vengono alloggiati in fori da 22mm di diametro, diversamente distribuiti nelle varie lastre, e siliconati [32].

Figura 5 – Dispositivi meccanici analoghi a DP-44-100 Metalglas per il fissaggio della struttura in vetro all’edificio esistente: (a) caratterizzazione meccanica sperimentale (DIA UniTS, foto da Ing. F. Trevisan) e (b) esempio di posa in opera (foto da Seretti Vetroarchitetture).

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